Фильтрационное горение газов тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.17 ВАК РФ

\

- ""Л

и "

российская академия наук ордена ленина институт химической физики им. н.н.семенова

На правах рукописи

УДК 536.46

бабкин вячеслав степанович

фильтрационное горение газов

01.04.17 - Химическая Физика. в том числе Физика горения и взрыва

диссертация

на соискание ученой степени доктора Физико-математических наук в Форме научного доклада

Москва - 1993

Работа выполнена в Институте химической кинетики и горения Ордена Ленина Сибирского отделения Российской Академии наук

Официальные оппоненты:

доктор Физико-математических наук.профессор А.А.Борисов

доктор химических наук, профессор Г.Б.Манелис

доктор Физико-катеиатичнских наук,профессор Н.Н.Смирнов

Ведущая организация.- Институт гидродинамики СО РАН

Зашита диссертации состоится "¡7" 1993 р.

! reo t

в ■■/J —■ часов на заседании Специализированного совета

Д.002.26.01 при Институте химической Физики им. Н.Н.Семенова РАН

по адресу-. 117977. ГСП-1, Иосква. В-334. ул.Косыгина, 4.

с диссертацией в Форме научного доклада можно ознакомиться в библиотеке ИХФ им. Н.Н.Семенова РАН

Автореферат разослан " " C^t-FЛу^/О^ 1993 г.

/ Учений секретарь Специализированного совета кандидат химических наук " в.Н.Корчак

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ.

Под Фильтрационным горением (ФГ) понимается распространение волн экзотермического превращения в пористой среде при Фильтрации газа. Процессы, объединяемые понятием ФГ, весьма разнообразны. Это - Фильтрационное горение конденсированных систем, внутрипластовое горение, тепловые волны в каталитическом слое, конвективное горение взрывчатых веществ и другие. Процессы ФГ обладают рядом общих свойств и закономерностей. Среди них - эффект сверхадиабатичности, внутренняя рекуперация тепла, активная роль Фильтрующегося реагента. С другой стороны, разновидности ФГ имеют индивидуальные особенности и специфические эффекты.

В диссертационной работе изложены исследования автора, направленные на развитие Физических представлении о Фильтрационном горении газов (ФГГ) - новой разновидности ФГ. отличительной чертой которой является гомогенная газовая реакция, протекающая в инертной пористой среде.

Актуальность проблемы. Научный интерес к процессам ФГ обусловлен широким распространением их в природе и техногенной сфере. На принципах ФГ основаны многие традиционные и новые промышленные процессы: слоевое сяигание и газификация угля, агломерация руд, внутрипластовое горение, регенерация катализаторов, самораспространяющийся высокотемпературный синтез неорганических материалов, каталитические процессы в тепловых волнах и др. В естественных условиях ФГ происходит в Форме подземных и лесных пожаров, горения торфяников.

К современным теплогенераторам, технологиям, методам пожаро-взрывозащиты, основанные на использовании закономерностей ФГ. предъявляются повышенные требования, обусловленные необходимостью сохранения экологически чистой среды обитания, утилизации отходов, энергосбережения, максимального выхода целевых продуктов, повышения уровня пожаровзрывобезопасности промышленных обьектов.

Решение этих задач возможно лишь на основе углубленного изучения процессов ФГ. установления интеграционных связей между разными видами ФГ и развития общей теории. Однако, несмотря на значительные достижения в области ФГ, связанные с работами А.Г.Ыариано-ва. А.П.Алдувшна. А.К.Шкадинского. Б.С.Сеплярского (СВС - процессы Фильтрационного типа). Ю.Ш.Ыатроса. О.В.Киселева, В.В.Барелко (волны ФГ с гетерогенно-каталитической реакцией), Г.Б.Нанелиса (Фильтрационное горение гетерогенных систем). А.А.Боксермана,

И.И.Богданова. В.М.Ентова (внутрипластовое горение). А.Ф.Беляева, А.д.Сулимова, Ю.В.Фролова, Н.Н.Смирнова (конвективное горение). Л.П.Ярина, Г.С.Сухова (Фильтрационные реакторы горения) к началу 80-х годов в проблеме ФГ существовал ряд неизученных вопросов, связанных с процессами ФГ с гомогенной газовой реакцией. К ним можно отнести: существование и свойства медленных и быстрых волн фгг, стационарных режимов горения с совместно протекающими гомогенной и гетерогенной реакциями, ФГ жидкости, учет тепловой неравновесности в волнах ФГГ. нетепловые Функции Фильтрационного потока и т.д.

Эксперименты, выполненные нами в начале 80-х годов по горению гомогенных газовых смесей в инертных пористых средах, показали, что, в таких системах реализуются многочисленные стационарные и нестационарные процессы ФГ, некоторые свойства которых, с одной стороны. характерны для ФГ конденсированных и гетерогенно-каталитических систем, а с другой - имеют существенные особенности. Стала очевидной перспективность дальнейших исследований в этой предметной области.

Цель работы. Изучение процессов Фильтрационного горения с гомогенной газовой реакцией, включая: обнаружение стационарных режимов . их классификация: установление определяющих параметров и параметрических зависимостей скорости стационарных волн: исследование структуры и устойчивости волн, областей существования ренинов и природы пределов: установление механизмов распространения и срыва стационарных волн; математическое описание процессов; выяснение возможностей использования процессов ФГГ в сфере приложений.

Научная новизна. Впервые проведено комлексное экспериментальное и теоретическое изучение процессов Фильтрационного горения с гомогенной газовой реакцией, в результате которого

- обнаружены неизвестные ранее стационарные режимы распространения медленных и быстрых волн, стационарной гибридной волны с совместным протеканием гомогенной и гетерогенной реакциями. стационарного процесса Фильтрационного горения жидкости.

- определены основные характеристики и параметрические зависимости волн в названных режимах горения, на основе которых сформулированы и построены Физические и математические модели явлений; выяснены общие и специфические свойства стационарных волн ©ГГ.

- выявлены принцииально новые нестационарные эффекты. сопут-стиукздие ©ГГ.

дана классификация процессов ФГГ. установлены интегративные связи нейду ФГГ и другими видами ФГ, а такие процессами горения в других системах с потерями тепла и импульса, что создает предпосылки для развития общей теории ФГ. Яркие явления, специфические свойства и закономерности, присущие ФГГ, позволяют рассматривать его как самостоятельный вид Фильтрационного горения. С другой стороны, удачное сочетание богатой Физики, относительной простоты (хорошо изученная газовая реакция, отсутствие межФазногс массообмена, неизменность пористой среды и др.) и возможности реализации разных тепловых режимов делают процессы ФГГ удобным объектом для изучения различных аспектов гетерогенного горения. Наконец, ФГГ ярко демонстрирует основные характерные закономерности ФГ - реверсивность движения волн, важную и многофункциональную роль Фильтрационного потока, температурную гетерогенность, явление сверхадиз^атичности и т.д. В этом смысле ФГГ можно рассматривать как информативный модельный тип ФГ.

Практическая ценность. Волны ФГГ обладают разнообразными ценными свойствами. Благодаря этому и широкому использованию пористых сред в промышленности, ФГГ весьма перспективно при решении многих задач энергетики, химической и строительной технологий, экологии, пожаровзрывобезоасности.

Регулируемость скорости химической реакции дает возможность управлять временем и производительностью химических процессов, выходом ценных (или вредных) продуктов. Регулируемость равновесных температур горения открывает новые пути утилизации промышленных отходов, сжигания низкокалорийных газов, создания Форсированных теплогенераторов. Возможность регулируемого подвода химической энергии к зоне реакции, реализация процессов ФГГ в разных по материалу и структуре пористых средах позволяют создать энергосберегающие технологии термической обработки материалов и получения изделий. Наконец, знание свойств ФГГ позволяет вскрыть неизвестные ранее причины аварийных ситуаций, связанных с неконтролируемыми взрывными явлениями и указать пути их предотвращения средствами целенаправленного управления скоростью и величиной тепловыделения

Исследования проводились в соответствии с планами научно-исследовательских работ ИХКиГ СО РАН. а тзкге в рамках общесоюзной научно-технологической программы 0.74.08 по безопасности работ в народном хозяйстве (пост. Президиума ВЦСПС. ГКНТ. Госплана СССР N0 14/529/269 от 22.12.80 г.. задание 12 на 1981-1985 г., задание 07 на 1986-1990 г.); программы СИ СССР "Об ускоренном развитии при-

орита-гных направлений химической науки и технологии" (пост. No 1022 от 4.09.87, направления No 15 и No 16), государственной научно-технической программы "Безопасность" (пост. ГКНТ No 1011 от 1.07.91Г) и отраслевых программ.

Публикации и апробация работы. По теме диссертации опубликовано 52 работы. Результаты диссертационных исследований докладывались на VI-X Всесоюзных симпозиумах по горению и взрыву (Алма-Ата. 1980; Черноголовка. 1983; Ташкент. 1986; Суздаль, 1989; Черноголовка. 1992). на Международной конференции "Евромех 139: Неконтролируемые взрывы в промышленности" (Аберествис. Англия,1981). на VI и VII всесоюзных конференциях "Горение и проблемы тушения пожаров" (1979, 1981, Москва), на III Международной школе по взрывам пылей в промышленности (Турава, Польша, 1982). на Всесоюзной школе-семинаре по математическим вопросам химической кинетики и горения (Красноярск, 1982), на Всесоюзной конференции "Нестационарные процессы в химических реакторах" (Новосибирск, 1982), на Всесоюзном семинаре по структуре газофазных пламен (Новосибирск. 1983), на 9, 12 и 13 Международных коллоквиумах по динамике взрывов и реагирующих систем (Пуатье. Франция, 1983; Анн Арбор, США, 1989: На-гойя, Япония, 1991), на I Всесоюзном симпозиуме по макроскопической кинетике и химической газодинамике (Алма-Ата, 1984). на Всесоюзной конференции "Тепловые волны в гетерогенных средах" (Новосибирск. 1985). на Итало-советском объединенном семинаре по горению (Милан. 19В5). на Заседании Научного совета АН СССР "Теоретические основы процессов горения" (Москва. 1985). на 21-23 Международных симпозиумах по горению (Мюнхен, ФРГ. 1986; Сиэтл. США. 1988; Орлеан. Франция. 1990); на IV Всесоюзной школе-семинаре по Физике дисперсных систем (Одесса. 1987). на V Всесоюзной школе молодых ученых и специалистов "Современные проблемы теплофизики" (Новосибирск. 1988), на Советско-итальянском семинаре по горению (Новосибирск. 1988). на III и IV международных симпозиумах по структуре пламен (Алма-Ата. 1989: Новосибирск. 1992). на Научных семинарах по горению в университетах Калгари (Канад^., 1989), Мичигана (США, 1989). Токио (Япония, 1991). на X Всесоюзной конференции "Проблемы пожарной безопасности зданий и сооружений" (Москва. 1989). на III Всесоюзной школе-семинаре по макроскопической кинетике, химической и маглитной газодинамике (Красноярск. 1990). на Объединенном семинаре советской и итальянской секции Института горения (Пиза. Италия, 1990). на iv Международном коллоквиуме по взрывам пылей (fia-рабка-Козубник. Польша. 1990). на iii Всесоюзной научно-

технической конференции "Взрывобеэопасность технологических процессов, пожаро- и взрывоэащита оборудования и зданий" (Северодо-нецк, 1990), на Всесоюзной семинаре "Распространение тепловых волн в гетерогенных средах" (Новосибирск, 1990). на Международной конференции "Нестационарные процессы в катализе" (Новосибирск. 1990), на Советско-американском семинаре по безопасности в химической промышленности (Ленинград, 1991), на Научных семинарах в Центре по проблемам горения и энергии при Лидском университете (Англия, 1987. 1991). на Международной конференции "Евромех 294: Теоретическая механика горения" (Бристоль, Англия, 1992), на семинаре Научного совета по науке и технике Великобритании "Аспекты горения" (Абингтон, 1992), на Международной конференции "Взрывобезопасность технологических процессов" (СевероДонецк, 1992), на Межинститутском семинаре по горению (Москва, 1991, Новосибирск, 1992), а также на семинарах в ИХКиГ со РАН. ИГ СО РАН. ИК СО РАН, ГИПХ (Ленинград). ВНИИПО (Москва), ВНИИТБХП (Северодонецк). ИПГ (Алма-Ата).

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ 1. РАСПРОСТРАНЕНИЕ ВОЛН ГОРЕНИЯ ГАЗОВ В ИНЕРТНЫХ ПОРИСТЫХ СРЕДАХ.

Возможность распространения газовых пламен в инертных пористых средах известна давно. Изучались процессы в приповерхностном слое пористого огнеупорного материала. получившие название "поверхностного" или "беспламенного" горения [М.Б.Равич. 1949). Серия работ выполнена в связи с проблемой насадочных огнепрегради-телей (Ю.х.Шаулов. 1954]. Исследовались пламена, стабилизированные на границах пористых сред (Т.Такено. 1979]. Однако эти и другие работы, обычно направленные на решение технических задач, не позволяли составить общую картину горения газа в инертной пористой среде.

Существенный прогресс в понимании процессов был связан с об наружением имеющих принципиальное значение стационарных волновых режимов горения - низких (РНС) и высоких (РВС) скоростей [В.С.Баб кин и др.. 1980. 19В1], звуковых скоростей (РЗС) (Г.А.Лямин А.в.Пинаев. 1987], низкоскоростной детонации (НД) [С.М.Когарко и др.. 1974].

1.1. Горение в режиме низких скоростей.

Стационарность и скорость волны. Процесс обычно реализуется при Фильтрации гомогенной смеси в инертной среде. В этом случае по отноиению к гомогенным пламенам проблема стационарности волны имеет свои особенности. Во-первых, из-за трения газа на границе Фаз во всей области течения реально существует градиент давления. Во-вторых. при горении образуется волна давления, характеристики которой зависят от скорости горения, параметров среды и газа. По этой причине состояние газа перед тепловым Фронтом горения отличается от состояния на бесконечности, и процесс горения, строго говоря. носит нестационарный характер. Однако в определенной области параметров градиенты давления как естественные, так и порожденные процессом горения, могут быть малыми и не приводить к. существенным изменениям структуры и скорости волны на исследуемой пространственной базе. Это обстоятельство позволяет на первом этапе исследований Фильтрационного горения упростить теоретический и экспериментальный анализ явления и использовать термин "стационарный режим" для описания процесса с практически постоянными во времени характеристиками.

Возбуждение волн ФГГ и их выход на стационарное распространение производилось следующим образом. В трубу, содержащую зернистый материал, с одного конца подводилась горючая смесь, с другого конца поджигалась. Через некоторое время на конце поджига пористая среда разогревалась и Формировалась плоская волна горения, которая затем распространялась навстречу потоку. Исследования на воздушных смесях водорода и пропана во всей концентрационной области распространения газовых пламен в трубках диаметром 5-60 мм и длиной до 30 калибров показали, что скорости волн горения в пределах точности измерений 5-10% постоянны на всей длине трубки, исключая стартовый участок в несколько миллиметров. Числа Рейнольдса и градиенты давления составляют 7-70 и 15-50 КПа/м, В зависимости от значений начальных параметров возможны распространение волн горения по потоку, против потока и состояние стоячей волны.

Приведенная на рис.1 зависимость скорости волны и от скорости потока v для различных Фракций инертной засыпки имеет характерный U-образный вид. По мере увеличения vQ скорость встречой. волны сначала увеличивается (по абсолютной величине). проходит максимум, а затем уменьшается до нулевого значения, достигается состояние сто-

ячей волны. При дальнейшей росте скорости потока волна меняет направление распространения. Болев быстрое встречное движение волны

соответствует смесям с большим теплосодержанием.

ад

о

Рис. 1 Зависимость для

Фракций 31С 0.25 - 0.41 (1). -1Р

0,41 - О.63 (2). 1 - 1.25 ИМ (3) и металлических шаров с ¿щ- Змм. (4) . 1 - 3 - 65* На + "м

ВОЗДУХ. 4 - 60* Нг + ВОЗДУХ. -2}

Диаметр трубки - 27 мм.

0 12 3 1$

V м/с

ТеплоФизическиа и структурные характеристики пористой среды (теплопроводность. теплоемкость, размер элементов среды), реакционная способность горючего газа (скорость и тепловой эффект реакции) . скорость потока - важные параметры, определяющие скорость Фильтрационного горения.

Структура волны. Под структурой стационарной волны понимается совокупность тепловых, концентрационных и барических волн, поддерживаемых химическим превращением и сохраняющих свои пространственные профили во времени. В рассматриваемом случае наибольиий интерес представляют тепловые и концентрационные волны. Барическая волна из-за больших коэффициентов Фильтрации слабо выражена, и в первом приближении ее влиянием на характеристики горения можно пренебречь.

Оптические наблюдения показывают, что при встречном движении Фронт волны отчетливо виден, стабилен, перепендикулярен оси реакционной трубки. Вдали от пределов поперечные градиенты температур невелики и можно считать распределение температуры практически плоским. При спутном движении Фронт волны теряет устойчивость, деформируется.

На рис.2 приведены характерные продольные распределения температур в волне горения. За начало координат принято положение максимальной температуры на профиле Т(х). Целесообразно выделить тепловые зоны (Д4-Дл): 1) подогрева (от точки равенства температур Фаз Т до (Т -Т )/в); 2) от Г до Г ; 3) внутренней тепло-

о т

вой релаксации от Г до в : 4) внешней тепловой релаксации от &

т г* га

7

Рис.2 Зависимость Т(х) (1) и

в(ж) (2). Пористая среда - Фракция'ЭЮ - 1.25 мм, газовая смесь - 65% н + воздух; v - 1.5

2 о

м/с. диаметр трубки - 26 мм.

о

гЧ t,

1.5

1.0

0.5

Г - m \

е . 1 V

m /"2

■ т "Ч J

О:

-15 -10 -5-

ММ

до е^/е. В зоне 1 (-45 х <-1 мм) температура газа Т меньше температуры пористой среды в и, следовательно, тепловой поток направлен из каркаса в газ. Во второй зоне (-15 х <0 мм) Т > в. После достижения X при х ~ 0 температура газа резко снижается за счет внутреннего межфазного теплообмена (0< х <4 мм), а в соответственно повышается и достигает в . В зонах 2-4 тепловой поток направлен из газа в каркас. Далее, в зоне внешней тепловой релаксации (.х > 4 им) обе температуры постепенно приближаются к температуре окружающей среды. Заметим, что в условиях этого опыта 7~т= 1800 К. в =1200 к. температура гомогенного пламени гь= 1480 к.

-Рис.3 Зависимости Т (v■ ).

Т (v ) и u(v ). Ф о о

Пористая среда - Фракция Sic 1 -л-г*.25 мм. газовая смесь .65* Н2+ воздух, диаметр трубки - 26 мм.

На рис.3 приведены скорость волны, максимальные температуры газа и среды в зависимости от скорости Фильтрации. Видно, что при , соответствующих максимальной скорости волны против потока и состоянию стоячей волны, существенных изменений в зависимостях Т

ш

и Тл не наблюдается: они монотонно возрастают при увеличении \>о. В

СОСТОЯНИИ стоячей ВОЛНЫ v» 3.7 м/с, Га 2270 К, Г= 1485 ± 15 К.

• т •

Наибольшие значения температур в этой серии опытов получены' при спутном движении волны: Гг» 2400 К. Т = 1530 К, VQ'° 4.2 м/с.

Таким образом, структуре волны Фильтрационного горения в РНС присущи такие специфические особенности, как температурная гетерогенность, наличие высокого температурного пика в зоне химической реакции и двух характерных зон с противоположными знаками тепловых потоков на границе Фаз. Иаксимальные температура газа и пористой среды зависят от значений начальных параметров, включая скорость Фильтрации, и могут принимать значения ниже, выше или равные температуре гомогенного газового пламени.

Пределы распространения. Существенна свойством неадиабатической волны горения является поперечная передача тепла.' приводящая в формированию поперечного распределения температуры и появлению зоны внешней тепловой релаксации. Своеобразие тепловой ситуации при горении в РНС состоит в принципиальной возможности отвода тепла из зоны реакции по газу и каркасу в условиях существенной разницы их температур. В результате взаимодействия продольно-поперечных процессов тепловая структура волны вблизи пределов существенно перестраивается, превращаясь из одномерной в двумерную.

Экспериментально установлено, что выход на предельное состояние волны горения с гашением химической реакции возможен при уменьшении скорости Фильтрации, диаметра реакционной трубки, обеднении горючей смеси и вариации других параметров. При приближении к пределу ослабевает свечение волны, уменьшается ее скорость (по абсолютной величине). резко падают максимальные температуры газа и пористой среди, а также их разность. Одновременно сильно сокращается зона внешней тепловой релаксации. Критический диаметр трубки зависит от скорости Фильтрации и свойств пористой среды. Фиксированному диаметру отвечает критическая скорость Фильтрации. Последняя на пределе отлична от нуля, тогда как и =• 0. Следовательно, скорость тепловыделения на пределе также отлична от нуля. Заметим, что при Фильтрационном горении она неоднозначно связана со скоростью волны. Поэтому в отличие от гомогенного горения величина и не является достаточной характеристикой предельных условий. На осно-

вании полученных теоретических и экспериментальных результатов сделан вывод, что срыв горени^ (гашение химической реакции) происходит в результате охлаждении зоны реакции из-за теплопотерь в окружающее пространство.

Другой тип предела распространения волны - переход РНС в РВС. иллюстрирует рис.1. Для пористой среды (металлические шары, £*ш- 3 мм) существует критическая скорость Фильтрации 3.1 м/с, выше которой реализуется РНС, ниже - РВС. Переход происходит скачком, скорость пламени изменяется на 3-4 порядка. Смена режимов связана с коренным изменением механизма передачи химической реакции. В зоне реакции теряется тепловая связь с каркасом, и ведущий процесс распространения .тепла происходит только в газе, как в гомогенном пламени.

Математическая модель. Основу теоретического изучения РНС составляет система одномерных уравнений распространения тепла в инертной среде и газе, переноса массы недостающего компонента, сохранения полного количества вещества в потоке и уравнение состояния идеального газа. Рассматривается течение с пренебрежимо малым градиентом давления:

От- « •

вр Яр V

т - * р Т^сопаЬ.

а* Л1

Здесь в я Т - температура инертной среды и гэ.за; т> - относительная массовая концентрация недостающего компонентна; V - скорость Фильтрации: ре. рт - плотность инертной среды и газа,- с0. ст - удельные теплоемкости; коэффициенты: - теплопроводности. О - диффу-

зии. « - теплообмена, а - теплоотдачи во внешнюю среду,- т -

о о, •

пористость: О - тепловой эффект реакции, рассматриваемся необратимая реакция первого порядка:

, -КУП.Т

ч(ъ.Т}=каъе

Под Х0 понимается некоторая эффективная теплопроводность инертной среды, слабо зависящая от теплопроводности собственно пористого материала. . .,„ . .

ю

Изучение стационарных волн РИС сводится к анализу стационарных решений системы (1.1) на бесконечном интервале при t - а>. записанной относительно переменных t я х - i-ut+const (и - постоянная скорость волны). После такой замены из стационарного уравнения неразрывности следует: <? - рт (v-u) - const. Тогда система стационарных уравнений представляет собой три обыкновенных дифференциальных уравнения второго порядка и два алгебраических соотношения. При этом выполняются условия:

*»-»: е-ТЬ>Го. Т)-1. PT'Pr . v=-vo

о

в исходной смеси.

_ d& d Г

7>«0

в продуктах. Значения То. рг и ^ однозначно определяют в и константу в уравнении состояния.0

Безразмерные переменные и параметры:

?"ТГ • х---•

х и - коэффициенты теплопроводности при Т - Т . Т - макси-

"И чТТП М Я»

мальная температура в газе.

Г-Т в-Т О __ о _ о

Г -Г Г -Г с_(Т -Г J

m o wx-tt^ ■ - ■ - ■ т- m о

* -Р„ *»Х /с жа-n-m)\a/mcGL.

7| Im т т Т Ö а т

а » a S__L/mc_G. а ~ a L/mc в. о уд т • о.» т

vo-a+ero;u fl-fflJc^

в«----- , Cr »-

Ь>т

т - —*оехр (-1/PJ. ß~RTm/E.

Г 1 У ~ 1 1 Г - Г w(r,.y) = rj ехр -±--. <5 - -— . у ' р/'5-

L 1 + б(у - i;J то

Система уравнений с использованием безразмерных переменных, описывающая стационарные волны FHC. имеет вид

с1 йг

- Сш-1) -гг- +а (у^-г)-а г=0

с!£ *в

• -аг ят чг " тйг <г-*>+Кг ■ ■

(1.2)

уЗ-- г »(П.у) = 0.

с краевыми условиями:

?=-оо: г=у= 0, т»=1.

(1.3)

В адиабатическом случае (в = О) условие выгорания г> - О дает при г = <ю у = г = . ув= уьЛ>. При рассмотрении адиабатических волн предполагается, что у >0 (равновесная температура выше температуры исходной смеси). Из этого предположения следует и >0, и очевидное условие в >0 приводит к неравенству и < у^/С1 + Кроме того,

предполагается выполнение условия р « 1. Это позволяет при анализе различных ситуаций применять такие стандартные для теории горения приемы, как метод узкой реакционной зоны и преобразование Франк-Каменецюого Функции скорости реакции в окрестности значения у - 1.

Изучен адиабатический случай: задача (1.2). (1.3). Отдельно рассмотрена предельная ситуация а = <», представляющая самостоятельный Физический интерес. При помощи метода сращиваемых асимптотических разложений получено уравнение для определения скорости

волны:

Значение максимальной температуры в газе, которая в данном случае совпадает с равновесной температурой. определяется из равенства Уь= ш. Особенность уравнения (1.4) состоит в его равномерной пригодности при любом значении * , которое играет здесь роль Эффектам

тивного числа Льюиса системы. В частности. (1.4) включает в себя известные Формулы нормальной скорости пламени при ламинарном горении газов и горения конденсированных веществ. Уравнение (1.4) так-ке может быть получено применением метода встречной экстраполяции - модификации метода, предложенного Я.В.Зельдовичем, суть которого в экстраполяции решения из зоны прогрева в зону химической реакции и использования проэкстраполированных значений в общем балансе тепла. При помощи такого подхода проанализирован случай произволь-

2т (у/ш}2**х

т

(1.4)

ных а и получено уравнение для определения скорости волны горения

где е = йу ^ (0); - безразмерная температура газа в зоне

прогрева. В (1.5). как частный случай, входит выражение (1.4).

и■10 . м/с

v. м/с

-0.5

v . м/с

Рис.4 Зависимость ) при

1-10 3 -

5 - 510"

значениях

1 о

<1. м

5-10 2-10"

Рис.5 Области существования РНС (1) и РВС (2).

На рис.4 приведены зависимости и(*о) при различных значениях а - характерного диаметра порового канала, однозначно связанного с «. При достаточно больших а при уменьшении V происходит переход из РНС в РВС. Если ио> 5и (5- нормальная скорость ламинарного пламени), РВС невозможен. так как высокоскоростная волна должна двигаться в направлении продуктов, что противоречит выписанному выше ограничению на и. Я плоскости параметров vo. существуют области, где реализуется Рас либо РВС, а также существует область неединственности, где возможна реализация обоих режимов (рис.5).

Наряду с рассмотренной для РНС исследована модель, в которой полагалось *т= О (нет диффузии и теплопроводности в газе). Отсутствующий в ней механизм распространения волны, основанный на кондуктивном прогревании зоны перед Фронтом пламени, заменен на механизм воспламенения горючей смеси при наличии теплообмена с пористой средой, аналогичный случаю неадиабатического теплового

взрыва. при помощи такой модели изучен вопрос о тепловых пределах распространения стационарных волн ФГГ в РНС. Уравнение для определения скорости волны в этом случае имеет вид

УъттР' (1.6)

v - 1

где р(у) = 1 + & и определяется через характеристики

решения в зонах прогрева и продуктов. Анализ рассмотренной модели

* *

показал существование <*о ^ такого, что при с»о в> а0 а решение (1.6) отсутствует. Это обуславливает существование предела распространения волны горения.

Механизм распространения. Две фазы с сильно отличающимися теплоФиаическими свойствами, относительное их движение, газофазная неизотермическая реакция в поле с большими градиентами температур и. наконец, сильный, но конечный теплообмен создают в волне горения многообразие условий для протекания различных внутренних элементарных процессов, их взаимодействия и, как результат, проявления целого ряда интересных эффектов.

Одним иа них является температурная гетерогенность - существенное различие в температурах Фаз, достигающее нескольких сотен градусов. Это различие исчезает в предельном случав очень интенсивного мехФазного теплообмена. При этом двухтемпературная структура волны вырождается в одаотемпературную. В случае очень слабого теплообмена РНС переходит в РВС, в котором твердая Фаза практически не оказывает теплового влияния на химическую реакцию (п.1.2).

Другой характерный эффект - рекуперация тепла в зоне горения, необычный по Форме возврат части тепла из области продуктов горения в область свежего газа, приводящий к избыточной энтальпии в зоне химической реакции.

В простейшем случае стоячей волны, благодаря высокой теплопроводности, тепло эффективно передается по каркасу в зону подогрева. где посредством межФазного теплообмена переходит из каркаса в газ. Далее тепло переносится в зоны химической реакции ^ внутренней тепловой релаксации. Здесь оно возвращается в каркас. В результате рекуперации тепла энтальпия ' газа в области реакции (включая химическую составляющую) оказывается выше, чем вдали от Фронта. Это приводит к более высоким температурам и скоростям химической реакции, чем в соответствующем гомогенном пламени. Даже в состоянии стоячей волны массовая скорость сгорания в несколько раз превышает скорость гомогенного горения, хотя в обоих случаях рав-

новесные температуры равны. Способность инертной пористой среды увеличивать скорость горения сохраняется при ао+ а-.

Ранее отмечалось, что в волне можно выделить две зоны подогрева: относительно широкую, где в у т. к узкую, где Т > в. В первой газ нагревается в основном при передаче тепла от каркаса, во втором - благодаря его теплопроводности в условиях больших градиентов температуры и тепловыделения в химической реакции. Такая особенность тепловой ситуации допускает два подхода к вопросу о воспламенении газа в волне горения. При одном из них вопрос о температуре начала активного реагирования решается как в задаче о гомогенном пламени, но с учетом межФазного теплообмена. При другом приоритетное значение придается не теплопроводности газа, а межФазному теплообмену, и характер протекания реакции рассматривается как процесс зажигания движущегося газа горячей неизотермической стенкой - некоторый аналог динамического режима теплового взрыва. Здесь возможны два предельных случая.

При относительно слабом внутреннем теплообмене в температурной эволюции движущегося элемента газа наступает момент, когда скорость тепловыделения становится выше скорости поступления тепла от каркаса. Реакция перестает "чувствовать" каркас и далее протекает в условиях адиабатического теплового взрыва (рис.2). Максимальная температура в значительной степени определяется энтальпией реагирующего газа.

В случае сильного межФазного теплообмена скорость химической реакции лимитируется теплообменом и непрерывно растущая температура элемента газа не может оторваться от температуры каркаса. Реакция вынуждена протекать при его температуре. Из-за сравнительно низких Температур в этом случае следует ожидать более широкие зоны химической реакции, на практике, по-видимому, могут реализоваться промежуточные режимы, в которых реакция не завершается при Т .

Реверсионное движение волн без изменения направления Фильтрационного потока - один иэ наиболее ярких волновых эффектов FHC. Природа явления - изменение знака теплового баланса пористой среды. Если элемент пористой среды в волне горения нагревается в результате кондуктивно-нежФазного теплообмена. то волна движется против потока. В противном случае волна движется по потоку. ,Нейт-

ральиой ситуации отвечает состояние стоячей волны. Аналог этого явления - волны потухания и стоячие волны наблюдали ранее при окислении аммиака на платиновой нити [А.Г.Мержанов. В.В.Барелко и др.. 1976].

С движением волны и особенно сменой ее направления связана качественная и количественная перестройка внутренних процессов по отношению к стоячей волне. В рекуперативном цикле появляется новый конвективный тепловой поток, обусловленный относительным движением твердой Фазы. При спутном движении он совпадает по направлению с кондуктивным потоком в каркасе и таким образом способствует рекуперативному переносу тепла в свежий газ; при встречном движении, наоборот, препятствует, так как направления указанных потоков противоположны. Таким образом, при переходе от встречного движения к спутному эффективность рекуперативного цикла увеличивается. Из сказанного следует важный вывод: стабилизированные пламена менее эффективны с точки зрения достижения максимальной скорости реакции. чем пламена, движущиеся по потоку. Для обсуждаемого типа внутреннего теплообменника в стабилизированных пламенах избыток энтальпии принципиально ограниен тепловым эффектом реакции. При спутном движении пламени он не ограничен. Другое важное следствие движения волны - низкие в сравнении с гомогенным пламенем массовые скорости горения газа при малых скоростях Фильтрации. Эти эффекты связаны с возможностью реализации очень низких температур (рис.3, и температурного торможения химической реакции.

В отличие от гомогенного горения в РНС равновесная температура определяется не только термодинамическими свойствами газа, но и свойствами пористой среды, и скорюстью Фильтрации. Из условия сохранения энергии в волне следует

а V -и

Г =Т +__-__(1 7)

\ о с V ~(1+сг )и ■ 1

то о

Отсюда видно, что Т зависит от и, которая, в свою очередь, определяется различными начальными параметрами, включая Физические и структурные характеристики пористой среды. Это обстоятельство отражает тот Факт, что волна не только генерирует тепло, преобразуя химическуи энергию в тепловую, но и распределяет последнюю между «азами. При встречном движении часть тепловой энергии газа идет на прогрев пористой среды! при спутном. наоборот, часть энергии среды идет на нагрев газа. Таким образом, твердая Фаза играет роль теп-,.левого транслятора и аккумулятора. В результате такой необычной

Функции волны горения ее равновесная температура может быть низе, выше или равна температуре гомогенного газового пламени.

1.2 Горение в режиме высоких скоростей.

При увеличении размера пор процесс горения резко переходит с РНС на режим высоких скоростей (скорости волны 0.1-10 м/с). В этом случае не требуется непрерывного подвода химической энергии к зоне горения посредством Фильтрации. Для горения достаточно энергии неподвижного газа, находящегося в единичной поре. Это позволяет исследовать различные аспекты РВС как в открытой системе с нулевой скоростью Фильтрации, так и в закрытой, где имеется встречное или спутное движение газа, обусловленное самим процессом горения.

Стационарность и скорость волны. Для установления Факта стационарности волны горения в РВС опыты проводились в открытой системе. Для этого к длинной реакционной трубе (2-3 м) со стороны продуктов горения присоединяли ресивер большого объема с инертным газом. Свежий газ перед Фронтом пламени покоится и пространственная скорость распространения равна скорости горения. Было установлено. что в различных пористых средах, горючих смесях в широком диапазоне начальных давлений движение волн действительно стационарно. Стационарны пламена и в больших закрытых системах. Поскольку скорости генерируемых потоков невелики (до 15* от скорости пламени) , то в ряде случаев измерения скоростных и структурных характеристик пламен проводили в линейных закрытых системах.

Рис .6 Зависимость 3(Ра} для п разных пористых сред и составов

6-8%

7 - 7.25%

8 - 7%

9 - 6.В%

4-е, 9% 5 - 9.5%

1 - 9.5%. ФПМ. а = 4.5 мм

2 - 9.53!. ППУ. с! = 2.8 мм

3 - 9.5%. СШ, а - 2.2 мм

4 - о, 8.5%)

метано-воздушных смесей.

СШ, <Х — 1.15 мм;

ю

20

Р . атм

Исследованы зависимости стационарной скорости племени & от нормальной скорости начального давления р0. коэффициента избытка топлива Ф. концентрации Флегматизирующих добавок, типа пористой среды и размера пор. направления и величины Фильтрационного потока. Скорость пламени возрастает при увеличиении давления и размера пор. не зависит от материала пористой среды (рис.б). Зависимости скорости от состава смеси имеют типичные для ламинарных и турбулентных пламен куполообразную Форму, причем максимальные скорости 5 сдвинуты в области богатых пропано-воздушных смесей и бедных метано- и водородо-воздушных смесей. Обнаружена сильная зависимость 515 1. В закрытой системе встречное движение свежего газа уменьшает скорость пламени, а спутное - увеличивает. Этот Факт свидетельствует о том, что в РВС Фильтрационный поток играет важную роль в процессе горения. Однако, его роль не сводится только к переносу зоны горения в пористой среде. Поток генерирует турбулентность. увеличивает скорость горения на 10-15*.

Схематично тепловую структуру волны можно представить в виде импульса некоторой средней температуры в газе и плавного небольшого по величине подъема температуры в пористой среде. Передний Фроит импульса обусловлен тепловыделением в химической реакции. протекающей в турбулентном пламени, задний - завершением химической реакции и охлаждением газа в результате теплового взаимодействия с пористой средой. Реальный передний Фронт, как показали специальна опыты, достаточно плоский. В стехиометрической метанно-воздушной смеси при ро=1 МПа общая неровность Фронта сравнима с размером элемента пористой среды (стальные шары. ¿ш=6 мм^ и не превышает 2% от размера зоны пламени.

Экспериментально определены время турбулентного горения (время существования химической реакции) £ и длительность теплового импульса (время существования тепловой волны) ^. Оказалось, что 4 = £*. Этот результат становится понятным. если учесть, что время тепловой релаксации еь на порядок меньше . Так, для стехиометрической метано-воздушной смеси при ро= 0.2-1.5 МПа. t = ю-2—5- 10* с при длине зоны горения 3-5 см. Время тепловой релаксации в этих условиях (стальные шары, <*ш-б мм) не превышает 10~эс. Таким образом, протяженность тепловой зоны горения определяется не тепловой релаксацией, а химической реакцией, протекающей в условиях турбулентного пламени.

Пределы распространения. Область РВС ограничена по скорости волны горения снизу пределом, на котором происходит срыв горения

при Ре*=сопз1. (А.И.Розловский и др.. 1963), а сверху - переходом РВС на другие стационарные режимы (п.1.3). С точки зрения особенностей РВС и ламинарного пламени естественны вопросы: почему предельные условия в РВС те же. что и для ламинарного пламени в узком канале, действительно ли постоянно число Ре , в чем специфика предельных явлений в РВС, каковы конфигурации области существования РВС. Для ответа на эти вопросы выполнена серия экспериментов с метано-, пропано-, и водородо-воздушными смесями в различных пористых средах.

Установлено, что область РВС в плоскости (р.Ф) имеет вид полуострова с мысовой точкой р . . сдвинутой в метано- и водородо-воздушных смесях в бедную и в пропано-воздушных смесях в богатую области (рис.7). На пределах скорость пламени 51* порядка величины

Рис.7 Пределы распространения пламени в различных пористых средах.

1 - СН^ + воздух, СШ,-

2 - СаНд + воздух. ФПМ;

3 - Н2 + воздух, ПГ.

(СШ, ФПМ, ПГ - типы пористых сред)

ро. мпа

нормальной скорости (е?/в2-6). тогда как вдали - величина достигает значений 20 и более. Максимальные значения 5* и /3

и

имеют сдвиги относительно положения в в тех же направлениях.

^ л итах

что и сдвиги рт1п- Во всех опытах Ре = 20-80, однако, в этом диапазоне при обогащении смеси топливом Ре* возрастает в метановых и водородных и уменьшается в лропановых смесях. Рассматривая концентрационные сдвиги экспериментальных величин различных характеристик горения - Рт1п. 5 и т.д. как индикатор на эффекты числа Льюиса, можно сделать вывод о влиянии коэффициентов молекулярного переноса на характеристики пламен во всей области существования РВС.

Элементарная модель процесса. Проблема стационарности волны заключена в вопросе: почему несмотря на многочисленные ускоряющие

Факторы в РВС скорость пламени стабилизируется и на каком уровне. Для анализа проблемы била построена элементарная модель распространения пламени, учитывающая турбулентный характер процесса. В модели предполагается, что скорость распространения определяется максимальными пульсациями на Фронте пламени (гипотеза Я.В.Зельдовича) и не может превышать некоторого значения, ограниченного условием гашения химической реакции в результате межФазного теплообмена. Условие локального гашения Формулируется как равенство характерных времен химической реакции и тепловой релаксации. Это условие по существу выражает идею конвективного предела в узком канале - зависимость критических параметров от скорости движения газа. В результате получена Формула для скорости пламени Не = о.б■ 2~"аРе4, где число Рейнольдса, построено по разности скоростей S - Su. число Пекле по нормальной скорости , Z - число Зельдовича.

Механизм распространения. Сопоставление РВС и FHC показывает, что оба режима имеют одно важное общее свойство - сильное межФаэ-нов взаимодействие в волне горения. Однако совокупность элементарных физико-химических процессов, участвующих в этом взаимодействии. их роль и значение в механизме распространения волны горения существенно различны.

с точки зрения Фильтрационного горения РВС в условиях наших экспериментов представляет случай быстрых волн IS > vo) ив отличие от"FHC в этом режиме более существенно динамическое взаимодействие среда и газа. Скорость горения в РВС зависит не только от свойств и термодинамического состояния свежего газа, но и от газодинамической обстановки в зоне пламени, прежде всего от уровня турбулентности. Действительно, экспериментальные Факты (большая протяженность зоны горения, скорости пламени, на 1-2 порядка превышающие нормальные, положительная зависимость S(pJ. высокочастотные колебания, сопровождающие процесс, прямые измерения степени турбулентности с помодьв ЛДС в пористой среде) свидетельствуют о высокоинтенсивном турбулентном характере горения. Однако характеристики турбулентности, источники ее возникновения и условия протекания химической реакции здесь иные, чем в обычных турбулентных пламенах. В РВС турбулентность может возникать вследствие направленных Фильтрационных потоков газа, из-за пульсирующего характера горения в отсутствии направленных потоков, в результате локальных процессов сжатия и расширения газов в зоне горения Сужение и расширение поровых каналов "обуславливают действие высокоскоростных

импульсных струй, гашение и, возможно, реинициирование химической реакции. По этим причинам турбулентные характеристики газа и соответствующие скорости, горения оказываются зависящими от свойств пористой среды и газа.

Характерная особенность РВС состоит в том, что в описанных экспериментах неизменно выполняется условие t > е, . Отсюда следу-

X п

ет, что в зоне горения очаги химической реакции перемежаются с очагами охлажденных продуктов. При этом общее охлаждение продуктов горения заканчивается практически в том же сечении, где исчезают последние очаги химической реакции. Температурные и концентрационные поля в зоне горения крайне неоднородны. Далее, существует еще один элементарный процесс - собственно химическое превращение с характерным временем £ь< гь. Нарушение этого неравенства в локальных зонах ведет к гашению химической реакции и, как следствие, стабилизации скорости распространения пламени и неполноте выгорания.

Установленные Факты позволили сформулировать механизм распространения волны в РВС. включающий процессы конвективной передачи реакции и теплового гашения химической реакции вследствии межФазного теплообмена в наиболее быстрых пульсациях скорости. Адекватная ему Феноменологическая модель процесса позволяет вычислить скорости волны, обобщить экспериментальные данные по скорости единой зависимостью (рис.8) и дать удовлетворительную интерпретацию основных наблюдаемых в опыте закономерностей явления, в частности , высокую чувствительность в к изменениям нормальной скорости и размера порового канала (в ~ & .

Вблизи пределов Рве вырождается,- уменьшаются скорости газовых потоков, горение происходит в отдельных каналах. значительная часть свежего газа остается не сгоревшей.

Рис.8 Обобщенная зависимость Ив(Ре) для метано-воэдушных пламен.

Однако протяженность зоны горения сохраняется достаточно большой. При гсрении стехиометрической метано-воздушной смеси в засыпках из стальных шаров (р* - 0,16 МПа, б мм) зона горения вблизи предела составляет 3-4 см.

Важным элементом в механизме распространения пламени в РВС является влияние коэффициентов молекулярного переноса (эффект чисел Льюиса), выражающееся в сдвигах экстремальных величин Э, и р . . Это явление можно объяснить на основе гипотезы селективной

«V г»

диффузии, учитывающей различие в коэффициентах диффузии топлива и окислителя (Б.Льюис и Г.Эльбе, 1968). В условиях деформированных Фронтов из-за различия в и О^ наиболее мобильный реагент обогащает зону химической реакции в лидирующей точке пламени, вызывая локальное увеличение 5 , когда он находится в смеси в недостатке и уменьшение - когда он в избытке. Полагая на основании характера зависимости Ре* от типа топлива, что зависимость Ре* от состава смеси имеет упомянутую природу, и вводя соответствующие коррекции Ф и по известным Формулам (В.Р.Кузнецов. В.А.Сабельников, 1986), было получено ожидаемое постоянство числа Пекле на пределе (рис.9). Полученный результат имеет общий характер: аналогичное явление наблюдается при гашении ламинарных пламен в одиночных капиллярах.

80 р6*

40

о

Рис.9 Зависимость критического 120 числа Пекле от содержания водорода в смеси.

Ре. Ре*~ исходное и скорректиро- во ванное числа Пекле, (а) - полиэтиленовые гранулы. (Ь) - пенополиуретан . 40

о

0 20 ¿0 60 Н2, % Об.

.1-1-1_I.

1.3 Горение в режиме звуковых скоростей.

Из теории Фильтрации следует, что перед Фронтом горения в пористой среде должна существовать барическая волна (зона Фильтрации) , формируемая под действием сил нежФазного трения. В РВС из-за сравнительно низких скоростей зона Фильтрации велика по отновенив к зоне1, горения и, следовательно, процесс сгорания можно считать изобарическим.

Иная ситуация возникает при скоростях порядка скорости звука - 10*м/с. В этом случав зона Фильтрации может быть сопоставимой с зоной горения, а процесс химического превращения протекать при повышенных давлениях и температурах. По сравнению с РНС и РВС, режим звуковых скоростей (РЗС) исследован в значительно меньввй степени. Единичные работы по РЗС очерчивают только контур явления. С целью восполнить этот пробел нами выполнены систематические исследования РЗС во всей области горючих смесей водорода с воздухом при различных начальных давлениях. Выбор этих параметров позволил изучить характер зависимости ЖФ) (рис.10) и конфигурации областей

Рис.10 Зависимость ЯСф} для водородо-воэдувних пламен. Пористая среда - полиэтиленовые гранулы, начальное давление: 1 - 0.1. 2 - 0.2, 3 - 0.3. 4 - 0.5 НПа. 5 -положение 5 нта. эун -

и мах

режимы высоких и звуковых скоростей.

Рис.11 Области существования режима высоких (Нта) и звуковых (БУШ скоростей.

существования как РВС. так и РЗС (рис.IX). Рис.10 показывает, что зависимость 5(Ф). как и в РВС, имеет куполообразный вид с максимумом. смещенным относительно 3 в область более низких значений

иглах

Ф. Переход с РВС на РЗС по параметру Ф происходит скачкообразно, как и по давлению (Г.А.Лямин, А.В.Пинаев. 1987). Контур области РЗС отличен от контура РВС, что свидетельствует о различной природе этих пределов. В некотором диапазоне, (р.ф) пределы распространения и перехода совпадают. В модельных экспериментах показано, что, как и в опытах А.В.Пинаева и Г.А.Лямина, в зоне горения происходит плавный подьем давления до значений, не превышающих максимальное давление сгорания газа в условиях постоянного объема.

Механизм распространения. Существенная особенность РЗС - образование барической волны Фильтрационного типа в результате дина-

о- 50% нг 45%

о - 40%

» - 35% о- 30% «- 25% х- 20%

о ч Я

я £ Ч о

ш

с о я о.

п!

ч

л ^

о о о. о й о

-- л о о

■о в оо

г - д Кд а О » ° эо

Д Л д & ¿Ь *

ч

гг г* а % Н в смеси

50

;оо

¿00

Рис.12 Обобщенная зависимость Не(Ре) для водородо-воздушных пламен. Сплошная и пунктирная линии относятся к режимам звуковых '"'и 'высоких скоростей. ,

Рис.13 Граница воспламенения

смесей Н2 + воздух (кружки) и Н2+ воздух, обогащенный О до 28,17% (треугольники) при взаимодействии ударной волны с шероховатой' стенной.'

-ЛлЧ*-

мического межФазного взаимодействия. Процесс горения идет не при начальных давлениях и температурах, как в РВС. а при более высоких

значениях этих параметров, что обуславливает высокие скорости распространения. В свою очередь, чем выше скорость распространения, тем круче профиль барической волны и выше параметры состояния свежего газа во Фронте химической реакции. В этих условиях появляются новые элементы в механизме распространения волны горения в РЗС. Действительно, обработка экспериментальных данных по скоростям распространения приводит к зависимости Re = сРе*, где k = 1. тогда как в РВС к = 3 (рис.12). По имеющимся литературным данным низким значениям k = 1.5-2 отвечают условия газодинамического гашения пламени в свободных турбулентных пламенах. Поэтому в качестве рабочей гипотезы можно предполоиить. что в отличие от РВС, в РЗС аэродинамическое гашение химической реакции в наиболее быстрых пульсациях более вероятно, чем тепловое гашение. Более вероятно и реинициирование реакции в зоне горения при смешении свежей смеси и продуктов. Ударные индукционные механизмы передачи реакции, включающие самовоспламенение свежей смеси с короткими задержками, как показывают Факты и наши данные (рис.13), в условиях РЗС невозможны. Таким образом, сжимаемость газау пороздазт новые эффекты взаимодействия химической реакции с газовыми потоками в пористой среде. и является главным Фактором РЗС. определяющим его закономерности и особенности.

1.4 низкоскоростная детонация

Если скорость ударной волны (УВ), распространяющейся в пористой среде, ниже скорости обычной детонации и температура свекего газа за УВ недостаточна для прямого инициирования химической реакции с короткой задержкой, то возможны стационарные режимы горения с локальным дискретным инициированием реакции при взаимодействии УВ с пористой средой - низкоскоростная детонация (НД). Первые наблюдения НД со скоростями (0.5-0.7) £>о. (£>о~ скорость детонации в гладкой трубе) были сделаны К.И.Шелк ¡шин в шероховатых трубах. Этот Факт противоречил существовавшим представлениям о детонации в газах. Теория детонации с потерями не допускала падения скорости ниже 0,35-0.9 D . Кроме foro. НД инициировалась легко и быстро даже в малоактивных смесях, что имело важные практические следствия. Вскоре НД получила качественное объяснение. Согласно Я.Б.Зельдовичу (1944) при НД возможно иное, чем в нормальной детонации, воспламенение газа. Если в нормальной детонации температура газа за ударной волной достаточна для его воспламенения, то при низко-

скоростной режиме - нет, и воспламенение происходит локально только у элементов шероховатости при отражении УВ. Возникшее пламя распространяется от стенки трубы к центру . образуя конус с вершиной, обращенной к продуктам горения. Гипотеза Я.В.Зельдовича нуждалась в экспериментальном подтверждении.

Экспериментальное подтверждение гипотезы Я.Б.Зельдовича. Для прямого доказательства реальности механизма воспламенения газа при отражении УВ и структуры НД нами был исследован процесс взаимодействия инертной (без химической реакции) УВ с шероховатостью стенки. при инициировании УВ использовалось явление, отмеченное К.И.Щелкиным и заключающееся в распаде НД при выходе из шероховатой трубы в гладкую на УВ и зону турбулентного горения. Помещая на пути ув вновь шероховатость, можно таким образом исследовать процесс перехода УВ из гладкой трубы в шероховатую.

Опыты проводили в трубе квадратного сечения, снабженной оптическими окнами. НД для получения УВ возбуждалась проволочной спиралью. Изменяя ваг спирали можно было изменять скорость НД в спирали и тем самым на выходе получать УВ необходимой интенсивности. Вторая шероховатость создавалась наклейкой на противоположной стороне канала латунных зерен 2 х 1.5 х 1.5 мм. Процессы регистрировались высокоскоростным покадровым шлирен-методом.

Опыты показали, что при относительно слабых УВ воспламенения смеси _не происходит. Прохождение волны по шероховатому участку сопровождается сложной структурой взаимодействующих отраженных волн. Более сильные волны вызывают воспламенение смеси при взаимодействии с шероховатостью. Воспламенение происходит у шероховатых стенок, о чем свидетельствуют образование конуса пламени и зоны горения в виде жгута пламени, в котором смесь догорает в центре трубы, длина жгута может достигать 10-ти калибров. Опыты с различной интенсивностью УВ показали существование определенной границы в способности волн к воспламенению смеси на шероховатых стенках (рис.13).

Обнаружение К.И.Шелкиным НД в шероховатых трубах, гипотеза Я.Б.Зельдовича и ее экспериментальное подтверждение сыграли важную роль в развитии представлений о неидеальной детонации в различных гетерогенных системах. В частности, методом инициирования НД инертной ударной волной, аналогичным нашему, было показано, что индукционный механизм передачи реакции при НД по схеме Я.Б.Зельдовича реализуется и в инертных пористых средах (О.Е.Попов и др., 1974).

2. ГОРЕНИЕ ЖИДКОСТИ В ИНЕРТНОИ ПОРИСТОИ СРЕДЕ.

В проблеме ФГ в качестве Фильтрующегося агента обычно рассматривается газ. Обьектом настоящего исследования является Фильтрационное горение жидкости (ФГХ) - процесс, в котором Фильтрующимся агентом является жидкость. Жидкость по сравнению с газом имеет более высокие плотность, объемную теплоемкость, плотность химической энергии, коэффициент межФазного теплообмена. Кроме того жидкость привносит ряд новых Факторов в процесс горения, таких как Фазовый переход, действие сил поверхностного натяжения и массовых сил. Поэтому можно ожидать появления новых закономерностей и особенностей при ФГЖ.

2.1 Горение движущейся жидкости в капиллярах.

Многочисленными опытами установлено, что в ряде случаев на характеристики горения жидких взрывчатых веществ (ХВВ) оказывает влияние материал и толщина стенок реакционной трубки (К.К.Андреев. 1966). Это свидетельствует о важной роли теплового взаимодействия реагирующей среды со стенками. Поскольку степень и характер этого взаимодействия, как показывают результаты изучения ФГГ. должны зависить от скорости и направления движения, то естественно ожидать существенного влияния этих Факторов на процессы горения ЖВВ. С целью проверки этой гипотезы в диссертацинной работе экспериментально изучены закономерности горения движущегося гидразина в узких кварцевых трубках. Дополнительно такая система является моделью для ФГЖ.

Установлено, что после некоторого стартового периода горение гидразина протекает в стационарном режиме. На рис.14 приведена зависимость скорости распространения волны горения а от средней скорости потока гидразина уо при толщине стенки & = 1.1 мм. Видно, что реализуются пять характерных ситуаций: спутное движение волны в направлении ЖВВ О, и < 0), горение неподвижного ЖВВ ^.vo= о. и < 0). встречное движение (уо> 0, и < О), состояние стоячей волны (V > 0. и - 0) и спутное движение в направлении продуктов горения

о

(у > О. и > 0). Наблюдаются два принципиально разных режима горения - нормальный (уо< 0.3 им/с) и турбулентный (о.в мм/с). Между ними располагается переходная область горения. Нормальное горение протекает спокойно, без каких-либо видимых возмущений го-

рящей поверхности. В переходной области в поверхностном слое жидкости появляются пузырьки газа: Они образуются вблизи стенок, а затем при увеличении заполняют весь поверхностный слой жидкости высотой 5-10 им.' Турбулентный режим горения характеризуется бурным кипением и диспергированием жидкости, интенсивным хаотичным движением жидких и газообразных масс в зоне горения, сильным увеличением площади горящей поверхности и скорости газовых потоков, существенным расширением зоны кипения и реагирования вещества в паро-жидкостном состоянии.

о

Рис.14 Зависимость u(v ). Рис.15 Зависимость S (&) при

--о --и

6 = 1.1 мм. Крестом- обозначен различных значениях v :

срыв горения. 1-0.8, '2-0.5. 3-0.2,

4 - 0, 5 - (-0.2) мм/с.

Движение EBB существенно влияет на скорость горения гидразина, определяемую из соотношения S = v0~u- повышая или понижал S^ по отношению к ее величине в неподвижном ЖВВ (рис.15). В турбулентном режиме скорости могут почти на порядок превышать S при нормальном горейии. Наоборот, при увеличении скорости обратного потока скорость' горения монотонно убывает до некотрого критического значения 's"!' при котором происходит'"срыв горения. В трубках " с <5 = 1.1; 1.5; 3.5"мм 5*= 0.18'± 0.02 мм/с7. " : •

и

Из рис.15 видно, что толщина стенки - важный параметр системы. Однако ее действие существенно зависит от величины и направле-

ния вектора v . При 6 -» О все кривые сходятся к точке 0.3 мм/с. Этой ситуации отвечает "нейтральная" в тепловом отношении стенка, которая, однако, не лимитирует передачу тепла во внешнее пространство (теплопотери) и сохраняет свои свойства в гидродинамическом отношении. При б > 0 реализуются два случая: S > if или5< ¿Р. т.е. в зависимости от величины и направления

u u u и ...

потока одна и та же стенка может ускорять или замедлять горение. Двойственное влияние стенки проявляется также в существовании максимума в зависимости S (6) при v =const. Увеличение толщины стенки

и о

может привести к срыву горения (кривая 5).

Интерпретация результатов. При горении гидразина стенки трубки существенно и неравномерно прогреваются в зоне волны. Вследствие движения ЯВВ и различия в теплофизических свойствах материала стенок и реакционной среды в волне горения Формируется распределение теплового потока на стенках. В области параметров, где S > if, в зоне прогрева. ЖВВ тепло от стенки передается в жидкость, ускоряя ее прогрев и испарение. В зоне тепловыделения и последующего охлаждения продуктов тепло поступает в стенку. По ней кондук-тивным потоком оно переносится в зону подогрева. Эта рекуперация тепла приводит к увеличении скорости горения. В области параметров, где S< & . в условиях обратной Фильтрации в зоне подогрева мояет иметь место иная картина: более нагретая жидкость и ее пары отдают тепло стенке, замедляя тем самым начальные стадии процесса горения.

При вариациях скорости изменяются не только тепловая структура волны горения, но и ее равновесная температура. Пренебрегая внешними теплопотерями, из баланса тепла одномерной системы "реакционная среда - стенка" следует

т =т + & ._JL__ „ . 4 С-Р« Г* +

L и и о L, I, ID UJ

где 7"в и Го - равновесная и начальная температуры, Q - тепловой эффект реакции • и Р, ~ плотности ЖВВ и стенки. с^. с^ - массовые теплоемкости ЖВВ и стенки. D. 6 - внутренний диаметр и толщина

стенки трубки. Отсюда видно. что если S > v . то Т < Т. . где

и о • b

7"b= 7^+ Q/c^ - адиабатическая по отношению к стенке температура горения.- если vo . то > 7"ь. Подтверждением этого вывода может служить наблюдаемый Факт сильного разогрева реакционной трубки при больших положительных скоростях потока.

Итак, при движении горючей жидкости в узком канале возможны

различные стационарные режимы, вектор скорости потока ХВВ - важный определяющий параметр рассматриваемой системы. Его вариации могут приводить к смене или срыву режимов горения, принципиальным изменениям свойств тепловых волн, равновесных состояний, характера воздействия инертной стенки на горение.

2.2 Горение жидкости в пористой среде.

Волны ФГЖ исследовались в вертикальных кварцевых трубках, заполненных Фракционированным песком из карбида кремния с пористостью т = 0.5 ± 0.02 или паралельными цилиндрическими кварцевыми стержнями одинакового размера (т = о.33 ± 0.04). Внутренний диаметр трубок £ = 8.0-35.6 мм, диаметр стержней а = 1-5 км. модельная жидкость (гидразин) прокачивалась с определенной скоростью V через пористую среду. Волна горения Формировалась на верхнем конце или внутри трубки. В опытах определялись: скорость распространения волны горения, протяженность структурных зон волны, линейная скорость горения 3 , температурные профили в твердой и газовой Фазах.

Формирование стационарной волны. Особенность Формирования волны ФГХ состоит в необходимости воспроизведения протяженной трехфазной структуры стационарной волны из некоторого начального состояния системы. Этот процесс включает не только весьма инерционную тепловую перестройку, но и медленное выгорание большого количества вещества. По этой причине процесс обычно длится достаточно долго (несколько минут).

Характерную картину процесса можно наблюдать при установлении стационарного режима у верхней границы жидкость - пористая среда, используя в качестве среды пучок стержней. Фронт пламени распада чистого гидразина распространяется в свободной части трубки сверху вниз и стабилизируется у кромки пористой среды. Первоначально плоские поверхность жидкости и Фронт пламени трансформируются: поверхность жидкости в широкой части порового канала отделяется от Фронта и опускается вниз, стабилизированный Фронт пламени поддерживается за счет локального поступления гидразина под действием капиллярных сил в узостях вблизи контактов стержней. Рост трехфазной области постепенно замедляется. Ее ширина достигает нескольких сантиметров.

В начальной стадии Формирования горение сопровождается шумом и диспергированием жидкости. В ходе процесса диспергирование прекращается, шум затихает. Эти наблюдения свидетельствуют о снижении

по ходу процесса скорости выгорания жидкости. В заключительной стадии в зависимости от скорости Фильтрации процесс горения или прекращается или выходит на стационарный режим.

Скорость волны. Эксперименты показали, что стационарная волна имеет устойчивый плоский Фронт. На рис.16. приведены зависимости скорости распространения волны и скорости горения от скорости фильтрации. Видно, что. как и при ФГГ. зависимость и(уо) имеет характерный и-образный вид. При увеличении скорости потока горение интенсифицируется (5ц растет). При уменьшении у , наоборот, падает и при некотором критическом значении V* волна горения перестает существовать.

0.1 ■

S , мм/с и

о-2 о/

г/

Л и, мм/с 1 ■ v^. ММ/С <

•0.1 -1.1 t 0.1 о^г

-ей1

Рис.16 Зависимости S (v ) и

--и о

ü(vo).

1 - фракция Sic (1.0-1.2) ММ;

2 - Фракция Sic (2.0-2.5) мн. Крестом обозначен срыв горения.

о 0.2 ол ой о.а 1.о V. мм/с

Рис.17 Зависимости Б (V

-—— и о

и в стержневой

пористой среде.

Диаметр стержней 1 мм. Диаметр трубки 27.3 мм. Пористость 0.32-0.34.

В отличии от РНС. в рассматриваемом случае скорости распространения волны и Фильтрации сопоставимы, стационарные волны существуют при положительных и отрицательных значениях уо . в стержневых средах волны реализуются только при положительных значениях ^(рис.17). При увеличении размеров поровых каналов скорость горения снижается, а скорость волн растет. Интересно, что. хотя горение происходит в режиме субадиабатических температур (и < 0). ско-

рости горения могут значительно превышать скорость гомогенного пламени распада чистого ^И^ (рис.1?). По нашим данным в трубке О = 25 мм без пористой среды Я = 0.20 ± 0.01 мм/с. Это свидетельствует о существенном влиянии V и пористой среды на 5 . Для оцеи-

о и

ки этого влияния был определен показатель чувствительности к = <15 /«IV . оказалось, что к возрастает при уменьшении \>а и достигает значения к = 1.9 вблизи предела (фракция ЭаС - 2-2.5 мм). Для сравнения отметим, что в РНС к 1. в узких трубках к < 1.

Структура волны. Существенно новый элемент при ФГЖ - наличие в структуре волны широкой зоны двухфазного течения. Наблюдения показывают, что светящейся зоне химической реакции предшествует газожидкостная зона, протяженность которой Ъ увеличивается при уменьшении V и достигает максимальной величины на пределе горения

Рис.18 Зависимость h(vo). Рис.19 Температурный профиль Фракция Sic (1.0-1.2) мм. волны горения в *-Фазе.

Фракция SiC (1.0-1.2) мм.

и = 0.19 мм/с. v - 0.

о

AB - газожидкостная зона.

(рис.18). Температурные измерения в зернистых средах показали, что в газогидкостной зоне происходит подьем температуры *-Фаэ до значений. близких к температуре кипения жидкости (точка В. рис.19). Измерение ' температуры в поровом пространстве стержневых сред и визуальные наблюдения позволили детализировать, структуру ролны и выделить в ней пять характерных зон: hi~ капиллярная зона, р которой гидкость локализуется вблизи контактов-стержней. h - капельная нона, в которой жидкость локализуется вблизи контактов на поверхности стержней в виде капель, h - паровая зона- без визуально наблюдаемой жидкости, h - зона .воспламенения. „.h^m зрна -тепловой ;ре-

лаксации. В капельной и паровой зонах температура близка к температуре кипения ^Н^ (113.5*С), в некоторых случаях здесь наблюдаются широкие температурные плато. Максимальная температура растет с увеличением скорости Фильтрации. Общая длина гаэожидкостной зоны сокращается при увеличении размера элемента пористой среды.

Пределы распространения. Снижение скорости горения при понижении скорости Фильтрации, уменьшении диаметра реакционной трубки или увеличении размера элемента пористой среды ведет к срыву горения при некоторых критических значениях V*. О . ¿г". Как при ФГГ. наблюдается явление критического диаметра, зависящего от скорости Фильтрации и характеристик среды. При подходе к пределу структура волны существенно изменяется - увеличивается газожидкостная зона

- ). сокращаются зоны воспламенения и тепловой релаксации (Ъ^, ъ„). Свечение в зоне реакции исчезаюде мало. В зернистых средах при О =сопзЪ срыв горения происходит в области обратной Фильтрации. критические параметры ^ к V зависят от Фракционного состава (рис.1б). В стержневых средах срыв имеет место при положительных скоростях Фильтрации (рис.17). В широких трубках критические скорости волн могут быть очень малы, на порядок меньше, чем в одиночных капиллярах (и*=< 0.02 мм/с).

Механизм распространения. Исследования волн ФГ жидкости в инертной пористой среде показало, что в широком диапазоне параметров горение протекает в стационарном режиме. Поскольку модельная жидкость ^Н^ обладает способностью образовывать пламена распада с газофазной химической реакцией, распространяющиеся по парам испаренного вещества, естественно ожидать глубокой аналогии ФГ* и ФГГ (режим РНС). Действительно, некоторые закономерности горения -зависимость скорости волны и температуры горения от скорости Фильтрации. реверсионное движение волн, явление внутренней рекуперации тепла и др. являются общими для ФГ* и ФГГ. Эти аспекты волн изложены в п.1.1 и п.2.1. Здесь уместно отметить только специфические особенности ФГ*. Одна из них - существование широкой трехфазной области в структуре волны, предшествующей зоне химической реакции.

Пористую среду можно представить как поликапиллярное тело с системой связанных узких и широких каналов. Узкие каналы работают по принципу Фитиля, осуществляя транспорт жидкости к зоне испарения и горения. Понижение уровня жидкости в широких каналах связано не с испарением жидкости под действием теплового потока из зоны химической реакции, а с ее перемещением в узкие каналы. С другой стороны. широкую тепловую зону подогрева с неболььийи градиентами

температуры трудно объяснить кондуктивной теплопроводностью. Необходим иной, более эффективный механизм продольной теплопередачи.

а

Одним из них может быть испарительно-конденсационный механизм, реализуемый в тепловой трубе. Поступая в зону пониженной температуры. пары горючей жидкости конденсируются, а конденсат под действием капиллярных сил возвращается в зону испарения. Существование температурного плато и зоны конденсации подтверждают это предположение. Циркуляция массы способствует эффективному переносу тепла в направлении движения волны горения. *

В диссертационной работе ' рассмотрена соответствующая этим представлениям элементарная модель газожидкой зоны. В двух сообщающихся трубках, широкой и узкой, находится горючая жидкость. Колено, соединяющее трубки, содержит источник массы т. . имитирующий внешний Фильтрационный поток. Жидкость горит в узкой трубке, где устанавливается стационарное движение под действием капиллярных, вязкостных, инерционных сил и сил тяжести. В остальных частях системы движение невязкое. Соответствующие уравнения имеют вид

■м

8г)

савв = pgh + —— v^h + pfv^-u ).

Гг^+Г2") (V -и) = г 3 . 5 = V -и;

VI 2-1 I. о -> 1 и и I

здесь радиусы г и г^ соответствуют характерным размерам узких и широких каналов в газожидкостной зоне поликапиллярного тела; высота столба, жидкости п узкой трубке Л, взятая относительно поверхности жидкости в широкой трубке - ширине зоны: V. -скорости движения жидкости и горения в узкой трубке; и - скорость перемещения столба Л относительно трубок, моделирующая скорость распространения Фронта горения в -пористой среде,- величина уо= т/пр[г^л - скорость внешней Фильтрации. Из уравнений

следует ■ -

я 1 >

. 1+Ог (^ + 1/(1+*)) , ,

где' D v /S . Н = h/h '. " h '=' [----- высота подъема жидкос-

в о U а о pq jrt ■-* . . '

ти .в узкой, трубке в отсутствие горения,-и источника; параметр к = /г^ имитирует насыщенность парового пространства поликапиллярного тела жидкостью:. D^-. SVJ gh^ - отношение характерных времен капиллярного подъема, лимитируемого инерцией (h/ f a/or ~ >

горения (Л/5и); В-оЗ^/рдг* - отношение характерных времен капиллярного подъема, лимитируемого вязкостью 1Ь/(рдг*/Вп)), и горения.

Из приведенной Формулы видно, что в отсутствие внешнего Фильтрационного потока возможны три ситуации. При низкой скорости горения характерное время горения много больше характерного времени капиллярного подъема. В этом случае Л а 1. В случае быстрого горения характерное время горения пренебрежимо мало по сравнению с характерным временем капиллярного подъема и 11 -> О. При промежуточных значениях 3 эти времена сопоставимы, реализуется переходный режим горения и 0 < Н < 1. Какие силы - вязкости или инерции -будут доминировать в каждой конкретной ситуации, определяется

отношением О /О .

1 2

Из выражения для И видно. что увеличение скорости внешней Фильтрации в соответствии с экспериментом ведет к сокращению зоны. Фильтрация в обратном направлении ее увеличивает. При уменьшении 5 зона растет. Хотя гаэожидкостная зона может существовать без горения, процесс горения вызывает непрерывное капиллярное движение, интенсивность которого увеличивается при сокращении зоны. С этим, в частности, связано быстрое горение с диспергированием вещества в начальной стадии Формирования волны горения. Наоборот, медленное движение реализуется на пределах, где наблюдаются наиболее широкие газожидкостные зоны (рис.18).

Другая существенная особенность ФГЖ - возможность распространения стационарных волн в области обратной Фильтрации в результате высокой плотности химической энергии Фильтруемого потока. Это обстоятельство создает новую ситуацию в характере внутреннего теплообмена. обуславливая возможность появления зоны, в которой более нагретая жидкость передает тепло пористой среда, замедляя тем самым процесс горения. Требуется уточнение понятия режима "спутного горения", введенного в творив Фильтрационного горения. Случай у <• 0 особенно важен для процессов, происходящих в закрытых системах.

Из сказанного следует ряд важных выводов. Во-первых, течение в - газожидкостной зоне является принципиально неодномерным, поперечный тепломассообмен происходит на двух Фазовых границах. Во-вторых. процесс горения генерирует внутреннюю капиллярную Фильтрацию, которая идет на Фоне, внешней Фильтрации, далее, в отлиие от ФГГ (режим1 ,РНС); при ФГЖ важны не только тепловые Функции пористой среды, но и ее структурно-поверхностные свойства, определяющие

явление капиллярности. Наконец, режим горения с широкой газофазной зоной (капиллярный режим) является одним из возможных стационарных режимов ФГЖ. При больших скоростях горения, в средах с крупными порами, при больших скоростях Фильтрации можно ожидать существование режимов с иными механизмами распространения тепловых волн.

3.ГОРЕНИЕ ГАЗОВ В ПОРИСТЫХ СРЕДАХ ПРИ СОВМЕСТНО!! ПРОТЕКАНИИ ГЕТЕРОГЕННОЙ И ГОМОГЕННОЙ ХИМИЧЕСКИХ РЕАКЦИИ

При Фильтрации холодной реагирующей смеси через неподвижный слой катализатора в нем могут Формироваться и распространяться стационарные низкотемпературные (500-700 К) волны с гетерогенной химической реакцией (Г.К.Боресков. ю.Ш.Матрос и др.. 1977). существуют и высокотемпературные (1500-2500 К) волны с газофазной реакцией. распространяющиеся в инертной пористой среде - ФГГ (гл.1). Эти процессы имеют некоторые общие свойства и. вместе с тем, специфические особенности, обусловленные разными Формами тепловыделения. Возникает принципиальный вопрос-, возможна ли в пористых средах гибридная волка с одновременно идущими газофазной и гетеро-енной реакциями и каковы свойства такой волны? Предполагается, что совместное протекание гетерогенной и гомогенной реакций имеет место при "каталитическом горении" - горении газов в каталитических горелках (Д.Л.Трим. 1983; В.С.ПФеФерле. 1986). Однако, опыты с каталитически стабилизированным горением' не отвечают на поставленный вопрос из-за принципиальной разницы стабилизированных и бегущих тепловых волн.

Возможность существования гибридных волн, опыты проводили в вертикальной кварцевой трубке диаметром 40 мм. Верхнюю половину трубки высотой 250 мм заполняли оксидным алюмомеднохромовым катализатором. Катализатор представлял собой хромит меди СцСггО^. нанесенный на сферические гранулы о-А^О . Нижнюю половину трубки заполняли аналогичными гранулами носителя. Размер гранул 1.0-1.6 мм. насыпная плотность слоя 1.46 г/см3. удельная поверхность 8 и2/г.

Волна возбуждалась на верхнем открыток конце трубки с помощью кольцевой электропечи, которая разогревала слой катализатора до температуры его зажигания (570-600 К). После прогрева печь отключалась. и к нижнему концу трубки подводилась холодная (293 К) про-пано- или водородно-воздужная смесь контролируемого состава и рас-

хода. Через некоторое время после подачи смеси в слое катализатора Формировалась тепловая волна, которая затеи распространялась вниз с постоянной скоростью и( . Когда волна достигала нижней границы каталитического слоя, она перестраивалась и распространялась далее (при определенных параметрах) также с равномерной скоростью и1. На рис.20 приведено продольное распределение температур в газе Т и твердой Фазе каталитического слоя в. видно. что в зоне

гь

X, мм

Рис.20 Распределения температур ТСх) и в (х) в гибридной волне для 3%-ной пропано-возду-шной смеси. V = 0.85 м/с.

Рис.21 Зависимости и(у ) для

гибридных волн (Ъ) и волн РНС (зп) .

Смесь 65% Н + 35% воздуха..

тепловой волны имеется -характерный для ФГГ пик температуры в газе Т > 0 . свидетельствующий о протекании газофазной реакции в данных

тл »л

условиях.

Что касается гетерогенной реакции, то ее наличие не вызывает сомнений. Низкие температуры, при которых происходит Формирование тепловой волны, исключают возможность заметного протекания газовой реакции без участия катализатора.

Скорость и структурные характеристики. Как и в РНС. зависимость скорости гибридной волны имеет и-образный вид (рис.21). Скорости волн в каталитическом и инертных слоях существенно различны, особенно при малых скоростях Фильтрации. Чем меньше теплосодержание горючей смеси, тем- больше эта разница в условиях проведенных опытов,(табл.1). Существует область параметров, в которой встречное .движение волны возможно тотгЬкЙГ Б каталитическом слое. Так. для смеси с С Н при скорости Фильтрации V - С.^ м/с б каталитич^с

ком слое и4= 3.5-10~гмм/с. а в инертный слой волна не переходит и стабилизируется на границе двух сред.

Таблица 1

Скорости волны в каталитическом и инертном слоях. V •• 0.5 м/с

Скорость Содержание пропана в смеси. %

волны 2.0 2.5 3.0 3.25 3.5 4.0 4 5

и4'10г. мм/с - 1.5 3.5 5.0 7.0 10.0 9 0

И ■ Ю2. мм/с - - - 1.0 3.0 4.0 3 0

На рис.22 приведены зависимости максимальных температур газа и катализатора от скорости Фильтрации. Видно, что в отличие от ФГГ при низких скоростях Фильтрации максимальные температуры газа и твердой Фазы совпадают. По мере увеличения скорости Фильтрации возникает различие максимальных температур Фаз во Фронте волны. Существенное отличце состоит также в возможности распространения волны при весьма низких температурах процесса. Если в РИС экспери-

£ 1000

к/с

Ч.- ч/с

Рис.22 Зависимости Т (V) и

вт(уо) ДЛЯ гибридных волн (М

и волн РНС (1п) .

Смесь 65% Н3+ 35% воздуха.

Рис.23 Зависимость долей те-

пловыделения в гомогенной (1Т) и каталитически-гетерогенной (1в) реакциях в общем балансе.

ментально измеренное для пропано-воздуоной смеси минимальное зна чение в ts 1100 К. то в гибридной волне - 850 1С.

Математическая модель. Теоретическое изучение гибридных волн базировалось на уравнениях, записанных в движущейся вместе с Фронтом системе отчета. Система уравнений с безразмерными переменными и параметрами имеет вид

Ж V# ■<*-»**ЬТт V0'

+ +ат (y~zl+ybrewe~°'

* J (3.1)

d dr,T di)T

впЧ-V-TeV°!

Краевые условия для (3.1) и обозначения те же. что и для системы (1.1). По отношению к (1.1) в (3.1) учтена гетерогенная реакция в уравнении теплового баланса твердой Фазы We (vr.в) = keveexpl-Ee/R9), добавлено уравнение массопереноса на межФазной поверхности. Предполагается, что масса газа остается постоянной (твердая Фаза не расходует свое вещество). каталитический процесс квазистационарен. внешний теплообмен отсутствует. Специфичные для гибридной волны Факторы отражены в новых параметрах:

П -m)U>

UíG в

к exр

НгЬ

к® С^9 С 3„Ь

п __у - в " а - г).р уд

' в Еа ' гв Т -Т • тГ Шв В то

где кв. Е& - константы гетерогенной реакции. ап а ~ коэффициент кассообмена на поверхности раздела Фаз.

Используя технологию решения задачи (3.1). аналогичную -(1.1). были получены соотношения для определения скорости волны, температурного и концентрационных распределений, удельных вкладов реакций в суммарное тепловыделение и других основных характеристик процесса. Проведен параметрический анализ модели4 -1 влияние параметров на скорость, структурные и режимные характеристики волны горения. Показана возможность существования Двух режимов с газофазным и гетерогенным доминирующим тепловыделением, реализующихся в областях соответственно высоких и нийких скоростей Фильтрации (рис.23). Модель качественно адекватно описывает основные наблюла -

емые в опытах закономерности: характер зависимости сдвиг в

гибридной волне ит в область низких значений V по отношению к волне РНС, появление разницы в температурах Фаз при увеличении V и другие.

Механизм распространения. Комбинированная Форма тепловыделения предопределяет особенности гибридных волн, делает явление более сложным. и более богатым по разнообразию закономерностей и эффектов. С точки зрения гибридных -волн каталитические волны и волны РНС можно рассматривать как частные случаи Фильтрационных процессов. Сравнительные исследования гибридных, каталитических и РНС- волн позволяет выяснить роль типа реакции и химической природы материала пористой среды в механизме распространения гетерогенных тепловых волн.

В гибридных волнах, с одной стороны, в механизме передачи реакции и Формировании волновой структуры принимают участие продольный кондуктивно-конвективный теплоперенос и поперечный межфазный теплообмен, которые обуславливают эффекты внутренней рекуперации тепла, явление суб- и сверхадиабатических температур горения, возможность реверсионнного движения волн и другие общие свойства каталитических и РНС -волн. . С другой - реализуются явление избытка эптальпии в реагирующем газе, характерное для РНС, и низкотемпературные режимы, характерные для каталитических волн.

в гибридных волнах совместное протекание гомогенной и гетерогенной реакций сопровождается их концентрационным и тепловым взаимодействием в условиях сильной неизотермичности. Это порождает возможность смейы режимов гетерогенного реагирования (кинетический. диффузионный), переход по ходу процесса доминирующей роли от каталитической к обьемной реакции. реализации в зависимости от параметров каталитических или РНС-волн (рис.23). Наконец, в настоящей работе исследован случай положительного взаимодействия двух реакций, совместное протекание которых приводит к увеличению скорости волны горения. Однако, на основании имеющихся данных (например. по огнегасящим свойствам некоторых порошков) можно предположить существование гибридных волн с отрицательным взаимодействием реакций.

С математической точки зрения система уравнений (3.1) содержит

♦

два уравнения со свойствами бегущих волн, что означает возможность существования двух принципиально разных режимов горения. Эта возможность реализована в наших экспериментах по переходу гибридной волны из каталитически активной пористой среды в инертную. Важно.

что только изменение реакционной способности поверхности пористой среды без изменения других внешних параметров - состава смеси, скорости Фильтрации и т.д. может приводить к смене режима горения и направления распространения волн, к изменениям температуры горения и других свойств бегущих волн.

4.НЕСТАЦИОНАРНОЕ ГОРЕНИЕ ГАЗОВ В ОГРАНИЧЕННЫХ ОБЪЕМАХ

При анализе процессов горения в пористых средах целесообразно использовать глобулярную модель пористой среды. В этой модели промежутки между частицами образуют извилистую пространственную систему с чередующимися расширениями и сужениями. В каждое расширение (пору) ведут несколько проходов (узостей) из соседних расширений. Стационарность процесса горения в целом не означает стационарности на локальном Уровне. В ряде случаев горение в индивидуальной поре имеет существенно нестационарный характер. Иикродросселирование в узости вызывает перепад давлений в соседних порах и. как следствие. большие скорости струйных течений. Взаимодействие горения с нестационарными газодинамическими течениями порождает явления, имеющие принципиальные значения в механизме распространения пламени в пористой среде.

В этой связи в диссертационной работе исследованы нестационарные процессы горения, протекающие в ограниченных объемах - замкнутых и полузамкнутых, двух- и многокамерных системах, закрытых системах с пористой средой. Кроме задач моделирования избранных аспектов стационарных режимов ФГГ. эти исследования предприняты также с целью изучения нестационарных явлений в пористых средах и представляют интерес для ряда приложений и развития методов определения параметров горючих смесей.

4.1 Одномерные пламена в замкнутых системах

Закономерности распространения одномерных.пламён в замкнутых системах можно рассматривать как базовые для более сложных, реализующихся в ограниченных объемах процессов. Они используются при изучении. горения- турбулизированного ' Газа. многофазных сред в поле массовых сил, в системах, с тепломассообменом. многокамерных системах и т.ц. с другой стороны. эти процессы - методическая база при

определении различных характеристик горения - скорости и температуры горения, пределов распространения, кинетических параметров. Наконец, одномерные модели рассматриваются как модели аварийных ситуаций в промьшленности, связанные с неконтролируемыми взрывными явлениями. Вместе с тем. анализ теории одномерных пламен в закрытых системах показывает ее неудовлетворительное состояние, несмотря на длительный период ее развития. В настоящей работе проведено систематическое изучение одномерных пламен с единых методических позиций.

Рассмотрено нестационарное распространение симметричных пламен в закрытых системах с неподвижной гомогенной горючей смесью. Расходящиеся пламена инициируются в точке, вдоль прямой и на поверхности при сферической.' цилиндрической и плоской симметрии, а сходящиеся - соответственно на сферической, цилиндрической и плоской поверхностях. При описании процессов используется некоторая их идеализация: эффекты вязкости, теплопроводности, свободной конвекции пренебрежимо малы, процессы горения адиабатические и медленные. предпламенные реакции отсутствуют, химическое равновесие достигается непосредственно за Фронтом пламени. пламена устойчивы к внешним и внутренним возмущениям, теплоемкости и.'молекулярные массы суаЬжего газа и продуктов горения различны, но постоянны, газы сЯтаотся идеальными.

Рассматриваются дифференциальные уравнения одномерного неустановившегося течения среды - неразрывности, движения и энергии в переменных Эйлера. Граничными условиями задачи являются условия в центре симметрии, на границе системы и условия сопряжения на Фронте пламени. Для описания полей скоростей, температур и плотностей привлекаются переменные Лагранжа. В качестве лагранжевой координаты ; принято расстояние между выбранной частицей и центром симметрии. Кроме этой координаты и времени t в качестве альтернативных независимых переменных используются также давление р* в момент t' , когда частица проходит Фронт пламени, и текущее давление р. Искомыми Функциями являются эйлерова координата r(l.t). скорость v(i.t). ускорение z(l.t). плотность p(l.t). температура T(l.t). иначе r((f . р). v(¡f . р) и т.д. Наличие гидродинамического разрыва -Фронта пламени, требует дополнительно условий Ренкина-Гюгонио. связывающих характеристики движения свежего газа и продуктов горения.

Большинство пламен, с которыми приходится иметь дело, суцест-нонно дозвуковые. Это обстоятсльотпо позволяет исключить рас-

смотрения уравнение движения и считать, что давление одинаково во всех точках системы. Кроме того, в этом случае в уравнении энергии и соответствующем условии на Фронте пламени можно пренебречь кинетической энергией, что позволяет рассматривать уравнения неразрывности и энергии Формально несвязанными скоростными характеристиками .

В рамках сделанных предположений найдено строгое решение задачи в виде безразмерных Формул и интегральных соотношений, позволяющих рассчитать весовую долю продуктов горения, координату и скорость пламени, среднюю плотность и температуру продуктов, распределение температуры и плотности, скорость и ускорение газа. Эти характеристики получены из дифференциальных уравнений и путем применения к продуктам горения и свежему газу интегральных законов сохранения массы и энергии.

Проведена классификация полученных соотношений по использующимся в литературе определяющим параметрам и предположениям, виду симметрии и типу пламени. Параметрический анализ соотношений выявил различную чувствительность характеристик к изменениям определяющих параметров. В частности, показана возможность "кинетического" ускорения пламени при с > £Кр= 1/г. где £ ~ термокинетический параметр нормальной скорости. Этот вывод подтвержден позднее на турбулентных пламенах, у которых величина с выше, чем у ламинарных (В.Леукел и др. 1989). Обращение к симметричным расходящимся и сходящимся пламенам позволило исследовать особенности динамики процесса при различных законах изменения поверхности пламени. На основе полученных соотношений для характеристик процесса проведен критический анализ существующих в литературе приближенных уравнений и Формул, оценена их точность.

4.2 Турбулентное горение газов.

Исследован процесс турбулентного сгорания гомогенной газовой смеси в условиях замкнутого объема с целью поиска зависимостей динамических характеристик процесса от теплофизических. кинетических и турбулентных параметров свежего газа. Как и в случае одно-1ерных пламен предполагается, что в процессе адиабатического распространения турбулентного пламени давление равномерно по сосуду и изменяется только во времени. Пламя в изотропном турбулентном поле в виде ядра распространяется от точечного источника зажигания по направлению к стенкам сосуда. Предполагается, что механизм горения

соответствует "ламинарной" модели: сгорание смеси происходит в искривленной поверхности пламени при постоянной нормальной скорости на каждом элементе поверхности.

Основной вывод этого рассмотрения заключается в том, что при определенном выборе поверхности, относительно которой определяется турбулентная скорость, решение задачи о турбулентном сгорании газа в замкнутом объеме сводится к уке известному решению для одномерного ламинарного пламени. Обоснование этого вывода базируется на Формальной независимости уравнения сохранения энергии от скорости, что позволяет раздельно рассматривать термодинамические и газодинамические аспекты задачи. Во-вторых, использование принципа Гуи-Иихельсона. позволяет ввести в рассмотрение "турбулентную нормальную скорость" , определяемую на контрольной поверхности Наконец, подлежащая выбору величина ^ может быть определена как минимально возможная поверхность всех продуктов горения, мысленно собранных вместе. В этом случае контрольная поверхность может быть найдена из теории распространения сферических ламинарных пламен (п.А.1).

В результате получены уравнения, позволяющие определить все основные характеристики горения турбулизированного газа в закрытом сосуде - динамику давления рИ) турбулентную скорость 5 . площадь поверхности пламени .Г, время горения и т.д.

В прямой задаче - определении динамических характеристик, их паЕисимость от турбулентных и кинетических параметров смеси дается через скорость 5 . для которой в литературе предложено большое число теоретических и эмпирических Формул. При решении обратной задачи - определении £? или Фактора турбулизации х - ■£,и1/£'и в паписимости от используемых Формул и параметров возможны различные модификации зкспериментиального метода. Существенный вклад в развитие метода закрытого сосуда для определения 5 внесли А.С.Соколик и В.П.Карпов.

Полученные уравнения дают возможность геометрического и Физического моделирования внутреннего турбулентного взрыва, рассчитать давление и импульс активной нагрузки - важные величины в инженерных задачах нзрывобезопасности. Каю частный результат, отметим, что широко используемый в настоящее время Фактор турбулизации х . введенный К.Яо (1974). как постоянный поправочный коэффициент к . в.нашей работе получил Физический и Функциональный смысл и методы его экспериментального определения.

4.3 Самовоспламенение газа перед Фронтом пламени.

Весьма высокие значения температур и давлений, достигаемые при Фронтальном горении газа в замкнутой системе, позволяют допустить возможность развития теплового самовоспламенения перед Фронтом пламени. Экпоненциальная зависимость периода индукции от температуры, непрерывный подъем температуры и давления в результате Фронтального горения приводит к резкому увеличению скорости объемной химической реакции. Другой характерной чертой самовоспламенения в рассматриваемой задаче является то, что конкурирующим Фактором является не теплопотери. как в классической задаче о тепловом взрыве, а процесс Фронтального горения: возможность воспламенения в системе определяется тем, какое из событий произошло раньше -сгорание смеси во Фронте пламени или объемное сгорание в резиме самовоспламенения.

Задача рассмотрена в общем случае расходящихся одномерных ламинарных пламен. В отличие от классической задачи об одномерных пламенах, предполагается, что скорость объемной реакции в свежей смеси отлична от нуля и увеличивается по ходу процесса в результате адиабатического сяатия свеаего газа, система уравнений, описывающих процесс, включает уравнения энергии свежего газа^ состояния газа, массовой скорости горения, кинетики химической реакции и соотношение для массовой доли продуктов горения. Задача решалась численно и приближенно аналитически.

Безразмерный анализ показал, что существует область параметров, определяемая соотношением характерных времен Фронтального и объемного горения, в которой Фронтальный процесс сменяется объемным. Принципиальная возмозность самовоспламенения определяется более высокой температурной чувствительностью скорости объемной реакции р по отношению к чувствительности нормальной .скорости р. . Найдены условия вырождения самовоспламенения по параметру р и показана воомояность вырождения из-за теплопоторь п стенки сосуда. Качественно аналогичные результаты получены Б.В.Новожиловым и Л.А.Гуссаком (1982) и позднее В.Бушем и Ф.Фенделом • И 98В).

.4.4 Горение газа в двухкамерной системе

Теоретически и экспериментально' изучен процесс горения гомогенной газовой--смеси -в- двух 'Сообщающихся сосудах' при' зажигании

смеси в одном из них. Особенность этой задачи заключается в необходимости учета массо- и энергообмена между сосудами и возникающих при этом эффектов взаимодействия процессов горения и истечения. В работе исследован характер, режимы и особенности горения, определены динамические характеристики - изменение давления, температуры. скорости горения и степени выгорания газа по ходу процесса в обоих сосудах.

Математическая модель процесса включает уравнения одиночного сосуда (п.4.1) и уравнения истечения свежего газа и продуктов горения через узость. Деформация и турбулизация Фронта пламени, обусловленные перетеканием газов в узости, учитывается коэффициентами турбулиэации х (п.4.2). Используемые в модели соотношения для массовых долей продуктов горения записаны с учетом межкамерного тепломассообмена.

Эксперименты и численный расчет показали, что возможны три принципиально различных случая при переходе горения из одного сосуда в другой: без гашения химической реакции в узости, с гашением и последующим реикициированием реакции и с гашением без возобновления горения во втором сосуде.

Для первого случая характерны двубаричность процесса, обусловленная дросселированием газа через узость и неодновременность горения газов в обоих сосудах Это обуславливает необходимость постадийной процедуры расчета процесса. Среди основных параметров, определяющих горение газа. особое значение имеет параметр В ■ (gFA . Z)/(\?'ax S J ). где F - сечение узости. А . - скорость

uv 1 1 ul » ui

звука. - обвем первого сосуда. - нормальная скорость. J^ -энергетическая характеристика смеси. Z - Функция показателя адиабаты. Параметр В представляет отношение характерных скоростей изменения тепловой энергии в результате истечения и тепловыделения при горении. В зависимости от величины В возможны три режима. При быстром горении (В « 1) общий процесс лимитируется истечением. Горение происходит, как в изолированных сосудах, но со стадийной передачей инициирующего теплового импульса на открытой границе сосудов. В переходном режиме (В ^ 1) характерные времена горения и истечения соизмеримы и наиболее ярко проявляются эффекты взаимодействия: аккумуляция массы rasa, максимальные скорости сгорания, аномально высокие давления к т.д. В режиме медленного горения (В » 1) все закономерности определяются самим процессом горения, идущим как в одиночном сосуде суммарного объема.

Второе и третий случаи перехода из одного сосуда в другой.

наблюдаются при малых значениях Г и . Период индукции во втором случае сильно зависит от величины Г. качественное и количественное соответствие экспериментальных и расчетных характеристик свидетельствует о правильности теоретической модели процесса.

4.5 Горение газа в многокамерных системах.

В дополнение к двукамерным многокамерные системы расширяют возможности моделирования коллективных эффектов совокупности многих связанных пор. Опыты производились в коротких (5-7 камер) и длинных (15 и 19 камер) системах, представляющих собой последовательно соединенные посредством одинаковых отверствий цилиндрические сосуды диаметром 115 мм и длиной 130 мм. Использовались отверстия диаметром 17. 24 и 34 мм с блокадными отношениями BR = 0.982. 0.956 и 0.913. Горение пропано-воздушных смесей инициировалось в первой камере. С помощью датчиков давления и Фотодиодов определялись динамика давления в каждой камере и скорость распространения лидирующего Фронта пламени. В результате экспериментов установлено:

и

ä.J Ч 9

Q.

7 5

9 13 17

номер сосуда, к

Рис.24 Зависимость р/р^а). ЦиТфЫ на кривых обозначают номер сосуда, кресты - момент проскока в очередной сосуд.

Рис. 25 зависимость р/р^ (к) . Цифры на кривых обозначают время в миллисекундах, пунктирная линия - максимальное давление при горении смеси в одиночном закрытом сосуде.

а) В коротких камерах процесс имеет неустановившийся характер: от камеры к камере увеличиваются скорость нарастания давления. скорость пламени, подхатие смеси перед Фронтом пламени, максимальное давление (рис.24).

б) В длинных системах после стартового периода процесс выходит на стационарное состояние, при котором скорость пламени постоянна. динамика p(t) и профиль давления р(х) инвариантны (рие.25).

в) В стационарном состоянии профиль барической волны имеет плавно нарастающий вид. максимальное давление не превышает давления при сгорании rasa в одиночном закрытом сосуде. Ширина волны около 1 м. Подхатие смеси постоянно.

г) Скорость пламени в зависимости от состава смёси имеет

обычный куполообразный вид. возрастает rípй увеличении начального

i

давления и диаметра проходного отверстия (рис.26).

д) Область существования стационарного режима существенно уже стандартной области горения пропано-воздушных пламен.

е) в концевых камерах возможно развитие аномально выаоких давлений. Явление более выражено в первой камере при горении око-лостехиометрических. в последней - богатых пропано-воЭдушных' смесей.

Рис.26 Зависимость S от состава

пропано-воздушных смесей в трубах

с периодическими препятствиями.

1-4 - данные Дж.Ли с сотр. (1986)

с BR « 0.39 - 0.5.

5-7 - настоящая работа:

5 - BR = 0.91. ро= 0.1 ИПа.

6-BR-0.96. р = 0.2 ИПа. о

7 - BR - Ь.96. р - 0.1 ИПа.

о

По своим характеристикам (скорость волны 300-400 м/с. плавно возрастающий профиль давления, р < р ) стационарный процесс можно отнести к режиму звуковых'скоростей (п.1.3). как,и в РЗС, скорость волны зависит от геометрических параметров системы. Причем из-за -------. ^.пшш 1Ш о inuuin lll/JlJ ЧОПЫ сравнительно низкие скорости

(рис.26). Градиент давления во Фронте волны вызывает спутное дви-аение газа и перенос пламени вдоль оси системы. Из-за предпламен-ного дросселирования и поджатия свежего газа пламя распространяется в условиях сильно возмущенного движения. Широкие зоны горения (порядка 1 м) логично объяснят1 нестационарный характер процесса в коротких и стадию Формирования стационарного режима в длинных системах. а также концевые эффекты.

Постоянство скорости пламени очевидно связано со стабилизацией скорости быстрой осевой струи в области проходного отверстия критическим условием дросселирования и ограниченным перепадом давления между соседними камерами. Плавный подъем давления во Фронте волны в сильных смесях свидетельствует о меякамерном переходе пламени без его гашения. Однако гидродинамический характер гашения пламени на пределах, опыты с реинициированием горения в 2-х камерной системе, позволяют предположить возможность периодического характера распространения пламени в слабых, особенно в околопредельных, смесях с его гашением при дросселировании и реинициированием в очередной камере после некоторого периода индукции. Отметим. что гашение пламени в бедных смесях происходит при высоком содержании пропана (2.6-3*) и критических числах пекле, во много раз превышающих значения, характерные для теплового гашения.

4.6 Горение газа в сосудах с пористой средой.

Экспериментально изучены характер, закономерности и особенности распространения волн горения в РНС в закрытых сосудах с инертной пористой средой. Опыты проводились в сосудах двух типов -сферических объемом 3.2л и 1000 л и трубках поперечным сечением 48x48 мм2 объемом 2-7 л. Сосуды заполнялись стальными шарами (СШ. т =■ 0.4) пенополиуретаном (ППУ. т = 0.97-0.98) и пористыми средами других типов. Горение воздушных смесей метана, пропана и водорода инициировалось в центре сферических и у конца линейных сосудов. С помощью датчиков давления. Фотодиодов. Фотоумножителей, термометров сопротивления и термопар определялись давление, скорость пламени, время химической реакции, протяженность зоны пламени и зоны тепловой релаксации. В результате экспериментов установлено:

а) В сосудах с большим характерным размером 1 реализуется установившийся режим горения, в котором максимальное давление не зависит от величины 1. В сосудах с малым 1 реализуется неустановившийся режим, при котором рт растет при уменьшении 1 (рис.27).

б) В обоих режимах р меньше.,-.¡чем максимальное давление при

сгорании той же смеси в "пустом сосуде". В установившемся режиме в ППУ отношение Ргп/Р0 > 1 и растет при увеличении начального давления п в СШ - р /р ~ 1 и не зависит от р . В неустановившемся режиме

* о ш о о

Рт снижается при уменьшении с!щ(рис.28) .

в) В установившемся режиме динамика давления в ППУ и СШ различна: в ППУ текущее давление растет, в СШ - снижается. В последнем случае конечное (равновесное) давление может быть меньше начального (рис.29). Скорость распространения пламени практически постоянна по ходу процесса, за исключением начальной и конечной стадий.

Рис.27 зависимость максимального прироста давления от длины трубы.

Ро- 0.7 МПа (1). 1 UTla (2).

1.3 una (3). 1.6 МПа (4). 5 - горение в рФерической бомбе V = 3.2 л. Стехиометрическая ме-тано-воздушная смесь. Металлические шары d » 3.2 мм.

Рис.28 Зависимость р(4).

1 - горение без шаров:

2 - (1 — 12.7 мм;

ш

3 - <1 - б мм;

ш

4 - <1и= 3.2 мм; р = 0.7 МПа. Смесь СН^+ воздух, стехиометрия.

г) В неустановившемся режиме скорость нарастания давления существенно выше, а время достижения р^ короче, чем соответствующие характеристики в "пустом" сосуде. После достижения рт наблюдается резкое снижение давления, обусловленное охлаждением продуктов горения. В СШ при 3.2 мм время спада давления сравнимо с временем достижения рт и составляет 0.01 с.

д) По сравнению с обычным распределением температуры в продуктах. п сосуде с ППУ распределение температуры газа и среды обратное: более нагретыми оказываются газ и среда не на начальной. а на заключительной стадиии горения (рис.30). Другой важной осо-

бо

бенностью горения в пористой среде является неполное выгорание, особенно существенное вблизи пределов распространения.

Теоретически рассмотрены термодинамические аспекты горения газа в закрытых системах с инертной пористой средой. Получены уравнения, позволяющие рассчитать состояние газа и среды в областях свежего и сгоревшего газов, весовую долю продуктов горания и координату Фронта пламени в зависимости от текущего давления. Показано. что в зависимости от параметров системы давление может расти или снижаться по ходу процесса.

- I

J 0.1^ 1 . I 1

t

Рис.29 Зависимость p(t).

1 - стехиометрическая смесь СзНа

+ воздух. ро= 0.132 ИПа. ППУ;

2 - стехиометрическая смесь СН^

+ воздух. ро= 0.5 МПа, Металлические шары d « б мм.

1/L

Рис.30 Зависимости динамического давления п=р/ро (черные точки) и температуры газа и среды в продуктах горения

ьт=т-т (светлые точки) от ко-о

ординаты Фронта пламени. Точки -эксперимент, кривые - расчет. Смесь СН^+воздух. стехиометрия. ППУ, р - 0.16 МПа. Г= 295 К.

гп о

Интерпретация результатов. Из Физических соображений можно ожидать, что пространственный масштаб выхода волны на стационарное состояние должен быть порядка зоны пламени. Дествительно, в экспериментальных условиях стационарного распространения (п.1.2) стартовый участок составляет 5-10 зон турбулентного горения (25-50 см), следовательно, в условиях замкнутой системы, в сосудах больших размеров, при 1 аг~ характерное время сгорания),

процесс должен протекать в квазистационарном режиме с быстрой перестройкой зоны пламени в соответствии с относительно медленно

изменяющейся динамической обстановкой системы. Если сосуд мал и { 1 . процесс идет в неустановившемся режиме. Измерения г. и

г I 2

характер зависимости Р (1) подтвердждают этот вывод.

Реализация условия t /Ь<< 1 позволяет сделать предположение 2 1

об узости зоны пламени и рассматривать волну горения как газодинамический разрыв. Однако в отличие от ламинарных пламен (п.4.1) при описании процессов в.пористых средах условия на разрыве записываются с учетом дополнительной Фазы и тепловой релаксации. В этом случае Формула (1.7) справедлива и для РВС. Так. как в наших условиях, в соответствующих обозначениях. | и|»| |. то из (1.7) следует. что температура за Фронтом пламени определяется главным образом тепловым эффектом реакции О и параметром со. Чем больше химическая энергия и пористость, меньше теплоемкость твердой Фазы, тем сильнее прогревается среда и выше давление в закрытой системе. Действительно. коночная температура для СШ почти равна начальной и 1. а для ППУ - выше начальной на 30-60°С и р /р > 1.

Быстрая тепловая релаксация, в результате которой температуры Фаз равны во всех точках системы вне зоны пламени, и сток большей части выделившегося тепла в твердую сроду, создают условия, при которых возможно, не только рост, но и падение давления в процессе горения. Снижение давления '-.вязано с конденсацией продуктов горения и(или) уменьшением числа молей в химической реакции. В свою очередь, падение давления вызывает другую особенность процесса -встречное движение свежего газа и спутное - продуктов горения.

Теоретический анализ и опыты показывают, что в зависимости от того снижается или растет давление при горении, характер распределения температуры Фаз за Фронтом пламени монет быть как в сосуде без пористой среды (Махе-эФФеют). так и обратный: в большей степени нагреваются газ и среда на заключительных стадиях горения I рис.30). Найдены параметрические условия постоянства давления и температуры Фаз в течение поего процесса горения.

Итак., особенности горения газа в замкнутых системах с пористой средой по отношению к системам без пористой среды заключаются в реализации неустановившихся режимов горения с. пространственными масштабами на два-три порядка превышающими область Формирования ламинарных пламен. в существовании режимов с ростом и падением текущего давления и соответствующих возрастающих и спадающих распределений температуры Фаз за Фронтом пламени, сходящихся к Фронту и расходящихся гагюпых потоков, н развитии низких максимальных давлений и в существенной неполноте выгорания свежего газа.

5.ЛАМИНАРНОЕ ГОРЕНИЕ ГАЗОВ.

Процессы горения в закрытом сосуде как метол изучения яплений горения и определения их характеристик. Процессы горения газа в закрытом сосуде - признанный эффективный метод научных исследований (метод БПО). Особенно широкое применение метод БПО нашел в изучении различных аспектов газового горения. Идея метода проста: зная общие закономерности горения в БПО и имея соответствующее математическое описание процесса, можно экспериментально определить некоторые неизвестные характеристики новой горючей системы. В частности, используя уравнения распространения одномерных пламен в БПО, можно решить обратную задачу - экспериментально определить скорость горения данной горючей смеси. Объектом изучения могут быть не только отдельные параметры , но и явления, режимы, механизмы горения. В гл.4 описаны примеры успешного применения метода БПО для исследования ФГГ. процесса самовоспламенения, горения в смежных сосудах, турбулентного горения. В этой главе приводятся результаты измерений нормальной скорости - важнейшей характеристики (наряду с тепловым эффектом реакции) реакционной способности горючих систем при решении задач в газодинамическом приближении. Выбор систем и параметров определялся: необходимостью обеспечения данными исследования ФГГ. изучением собственных проблем ламинарных пламен, методическими ограничениями, потребностью в создании ГОСТа на метод определения 5 .

Главное условие успешного применения метода БПО - решение проблемы адекватности: математический аппарат и экспериментальные условия должны соответствовать сущности изучаемого явления. При измерениях Э гзто означает, что необходимо исключить зФФек.тн кривизны Фронта, свободной конвекции, различного рода неустойчивости, приводящие к несоответствию измеряемой величины ее Физическому определению, относящемуся к плоскому установившемуся пламени в одномерном потоке. Это несоответствие - источник, многих некорректных результатов, ошибочных выводов.

Для решения поставленных задач была разработана необходимая лкспериментальная аппаратура, на основе теории одномерных пламен в закрытых сосудах (п.4.1), дана классификация способов определения ¿7 , проанализированы соответствующие расчетные Формулы, исследова-

и

ни осложняющие Факторы, проведена практическая апробация метода на многих системах и в широком диапазоне начальных параметров.

Изучение нормальной скорости пламени при высоких давлениях и температурах. В табл.2 приведена сводка систем и параметров, для которых были определены нормальные скорости. Использовались . в основном, два метода определения - метод "начальной стадии" и "слепой" метод, наиболее отвечающие избранным системам и экспериментальным условиям. Ыетано-воздушные смеси - неизменно приоритетная система ввиду ее практической важности и модельной значимости в теории горения. Полученные данные - первое систематическое исследование Su. выполненное при одновременно высоких р и Т в широком диапазоне составов. Они получили качественное и количественное подтверждение в расчетах S с учетом детальной химической кинетики (L.D.Smoot. а.о., 1976; G.Tsataaronis. 1978) По этим причинам наши данные использовались многими авторами, в частности, как базовые, для получения полей изотерм s' в области 260-760 К и 0.1-2.3 НПа (D.Bradley. A.M.Mitcheson.1976) и универсальных апрок-симирующих зависимостей (р. Т.Ф) для расчетов ЛВС (J.F.A1-Himyary. G.A..Karim. 1987).

Эксперименты с добавками паров воды в метано-воздушные смеси показали, что вопреки существовавшим взглядам о возможности промо-тирования горения парами воды, они таким эффектом не обладают и их действие обусловлено уменьшением температуры пламени. Позднее аналогичный вывод был сделан как в отношении метановых (I.Fellsand. A.G.Rutherford. 1969). так и водородных (D.Lui. R.MacFarlane. 1983) и метанольных (S.Koda а.о.. 1982) пламен.

В опытах на системе СН^ + воздух + Вг показано, что ингиби-рующее действие Вг2 увеличивается с ростом давления. Аналогичный эффект получен при численном моделировании действия добавки CHsBr в этилено-воздушном пламени в диапазоне 0.01-1.0 НПа (С.К.West-brook а.о.. 1983).

Исследования водородо-воздушных пламен выявили аномальное их поведение в богатых смесях (66-70* Н2): барический показатель п проходит через минимум в области 1-1.5 ЫПч. Значения п отрицательные . причем |л| > 1. Этот результат противоречит обобщенной корреляции Льюиса, в соответствии с которой л должен быть положительным . Получение результаты хорошо согласуются с более поздними расчетами S с учетом детальной кинетики (G.Dixon-Lewis. 1984). Показано. что с айомальным поведением пламен в области 1-1.5 МПа связано •изменение эффективности ингибиторов: при р< 1.0 МПа их эффективность увеличивается с ростом давления при р > 1.5 МПа - падает. В бедных смесях (14* Н,) при повышении давления у диэтилами-

на, бромистого этила и метанола наблюдается смена ингибирующего действия на промотирующее. ТетраФтордибромэтан при высоких давлениях проявляет высокую ингибирующую эффективность.

Таблица 2.

система содержание топлива и добавки (%. об.) начальная температура (К) начальное давление (Ш1а)

СзНа+ воздух З-б 293 - 500 0.1 - 10.1

СН + воздух с * добавками Н О. N 2 2 10.5*-ная смесь с добавками 0 - 20* Н 0. N 2 2 473 0.1 - 7.07

н + воздух с2добавками С Н Вг. 2 3 С Г Вг . г * 2 (с н ) га. 2 5 2 СН ОН. 14. бб И 70%-ные смеси с 0 - 1%-ми добавками 423 0.2 - 7.09

СН . Вг * г

СН + ВОЗДУХ с * добавками Вг 2 8.5%-ная смесь с 0 - 1.2%-ми добавками 373 0.1 - 7.07

СЛНЛ+ воздух п-С Н + воздух 7 1 в 1'-СвН1в+ воздух стехномет- рические смеси 423 - 650 0.1 - 7.1

N 0 2 с добавками Н . СН 2 4 добавки 3.5% СН 3.7% н * 2 293 0.1 - 0.6

Н + воздух с добавками СГ Вг 3 7%-ная смесь с 0.2%-ной добавкой 291 0.1

СэНв+ ВОЗДУХ 8.8%-ная смссь 291 0.1

Нормальные скорости для n-гептана и изооктана представляют интерес как модельные топлива при описании процессов горения в ЛВС. В этой связи наши данные использовались для получения универсальных зависимостей S (р, Т.Ф) в диапазоне режимных параметров ДВС (E.H.James, 1987). Полученные данные по изооктану удовлетворительно согласуются с данными М.Метгалчи и Б.Кека (1982) в перекрывающихся диапазонах р и Г.

Эксперименты в невесомости на сверхбедных водородно-воздушных и сверхбогатых пропано-воздушных смесях показали возможность существования пламен с S1 см/с. а также продемонстрировали возможность определения s^ медленно горящих пламен в невесомости. Позднее этот метод использовался неоднократно (S.Okajima а.о.. 1984; Н.Каппо а.о.. 1985; P.D.Ronney. 1988. 1989). Данные ПО Sц В сверхбедных и сверхбогатых смесях важны как реперные точки при построении обобщающих "рекомендуемых" зависимостей S (Ф) . Данные по S

U U

вблизи пределов, полученные в обычных условиях, весьма ограничены и противоречивы.

В исследованиях пропано-воздушных пламен получены наиболее полные, систематические данные по нормальной скорости пламени, включая зависимости для температурного (га) , барического (л) и термокинетического (с) показателей. Эти исследования выявили принципиальное ограничение метода БПО. связанные с возможностью возбуждения режима вибрационного горения при высоких давлениях.

Таким образом, в цикле работ по изучению ламинарных пламен решены методические вопросы измерений нормальной скорости в закрытом сосуде, определены S' в широких диапазонах параметров, выявлен ряд интересных закономерностей в распространении ламинарных пламен. научно обоснован и разработан метод определения нормальной скорости, включенный в систему государственных стандартов (ГОСТ 12.1.044-09. Пожароопасность веществ и материалов. 1990).

6.ПРИКЛАДНЫЕ АСПЕКТЫ ФИЛЬТРАЦИОННОГО ГОРЕНИЯ ГАЗОВ.

Процессы ФГГ могут быть использованы при решении многих задач энергетики, химической и строительной технологий, экологии, пожа-ровзрывобезопасности.

Осуществление процессов ФГГ в Форме различных стационарных режимов и в разных по материалу и структуре пористых средах, регу-пируемость величины равновесной температуры в широких ппр.пр.илу

путем выбора вида топлива, состава горючей смеси, скорости Фильтрации, дисперсности пористых сред открывают новые пути создания строительных технологий, термической обработки материалов (изготовление изделий, сушка, спекание, обжиг и т.д.).

Регулируемость максимальных температур в зоне химической реакции, в результате внутренней рекуперации тепла, возможность более гибкого управления скоростью химического превращения при совместном протекании гомогенной и гетерогенной реакций позволяют использовать эти особенности ФГГ в новых химических технологиях (утилизация ОВ. дожигание вредных примесей, синтез химических соединений).

Явление сверхадиабатичности, возможность организации и поддержания тепловых волн в пористых средах ограниченной длины открывают новые перспективы в энергетике (теплонапряженные топочные устройства, сжигание промышленных отходов и низкокалорийных газов).

Знание свойств нового вида газового горения - ФГГ позволяет совершенствовать существующие и разрабатывать новые нетрадиционные методы позаровэрывозащиты промышленных процессов и аппаратов, прогнозировать неизвестные ранее опасности, связанные с неконтролируемыми взрывными явлениями. Так, возникновение сверхадиабатических температур может создать угрозу прогорания или разрыва технологического устройства. Возможность горения жидких ВВ в закрытых сосудах с пористой средой требует пересмотра методов безопасной эксплуатации ЖВВ с использованием пористых сред (например, ацетиленовых баллонов). Зависимость пределов распространения пламени в РВС от коэффициентов молекулярного переноса требует коррекции известного предельного условия Ре*= 65. используемого при разработках огнепреградителей, ИК-излучателей и т.д.

Пожаровзрывозатита производства Формальдегида. Формальдегид является одним из важнейших химических продуктов, широко применяющимся в промышленности и сельском хозяйстве для производства смол, клеев, удобрений и т.д. Технология производства Формальдегида имеет две существенные особенности. Реакционные смеси, содержащие метанол. Формальдегид, водород, азот и кислород, на многих стадиях процесса взрывоопасны. Во-вторых, производительность процесса находится в прямой зависимости от показателей взрывоопасности этих реакционных смесей. Поэтому вопрос о повышении производительности процесса решается, как правило, в плоскости проблемы пожаровзрыво-безопасности производства. В этой связи нами выполнены исследова-

ния. направленные на изыскание новых принципов, методов и средств пожаровзрывозащиты производства Формальдегида на серебряных и оксидных катализаторах.

Одна из проблем производства на оксидных катализаторах - проблема "горячих очагов": образование в слоях катализатора (из-за его неоднородное упаковки) локальных очагов перегрева реакционной смеси, достигающих 450-500°С вместо допустимых ЗбО'С. Такие перегревы приводят к "хлопкам" и остановкам реактора. Решение этой проблемы было найдено, используя закономерности ФГГ. путем размещения под слоями катализатора пористых, сред, сочетающих огнепре-граждающие и смесительные свойства. Цикл работ по разработке и внедрению реактора большой мощности для производства Формальдегида на окисных катализаторах, включая решение проблемы "горячих очагов". отмечен дипломами Президиума СО АН СССР по итогам конкурса прикладных работ в 1988 году.

Вэрывозащита технологических процессов и оборудования без локализации пламени. Режимы быстрого горения газов в пористых средах (РВС. РЗС, НД) реализуются в более узких диапазонах параметров. чем обычные пламена. На этом основан метод вэрывозащиты процессов и аппаратов, в котором используется известное соотношение Ре*=сопв1 (А.И.Розловский. 1980). Однако, этот метод с гашением химической реакции имеет ряд недостатков, связанных с использованием пористых сред: большой вес среды на единицу защищаемого объема, большое гидравлическое сопротивление при течении газа или жидкости, высокая стоимость пористых сред и др. В ряде случаев, например в авиастроении, эти недостатки имеют решающее значение в выборе методов взрывозащиты.

В гл.1 показано, что процессы горения в пористых средах управляемы не только на пределах, но и внутри областей их существования. Это обстоятельство открывает возможности создания новых, нетрадиционных методов взрывозащиты без локализации (гашения) пламени . В частности. путем целенаправленного выбора пористых сред с нужными теплоФизическими и структурными параметрами можно удовлетворить жесткие требования авиаконструкторов по эксплуатационным и ворывозащитным характеристикам проектируемых систем. Цикл работ по разработке систем взрывозащиты серийных летательных аппаратов и транспортных средств на основе пористых сред отмечен дипломами Президиума СО АН СССР по итогам конкурса прикладных работ в 1989 году.

тгэллтфллиао гкрпитрли. ПТ)ИГОТОВЛеНИе го—

могенных взрывоопасных газовых смесей - одна из распространеных операций при изучении процессов газового горения. Обычно смеси готовятся в смесителях путем перемешивания компонентов различными движущимися элементами - механическими и электромагнитными мешалками или перемещающимся твердым телом (И.И.Стрижевский. 1968). Наличие движущихся деталей создает опасность воспламенения смеси искрами трения, от нагрева смеси при ее сжатии в микропорах и по другим причинам.

Повысить безопасность работы сме'сителей. исключив движущиеся детали, можно путем возбуждения свободно-конвективного движения газа внутри смесителя с помощью специального теплообменника (В.С.Бабкин и др., 1975). На этом принципе нами создана серия смесителей для приготовления особо взрывоопасных газовых смесей при начальных давлениях до 10 МПа. объемом до 10 л, (СГ 15/50. СГ-1. СГ-2), которые используются в КазГУ, ВНИИТБХП. ВНИИПО, ВостНИИ и ряде других организаций.

Однако и в смесителях этого типа, в принципе, не исключена возможность воспламенения смеси от аварийного проскока пламени извне и развитие опасных высоких давлений в результате быстрого нестационарного горения или детонации. Эксперименты показали, что использование пористых сред позволяет существенно улучшить рабочие характеристики смесителей этого типа (В.С.Бабкин и др.. а. с. No 1088267. 1983).

Прогорание насадочных огнепреградителей. Насадочные огнепре-градители представляют собой устройства, содержащие газопроницаемое пористое тело и используемые в технологических линиях для локализаций (гашения) пламени в аварийных ситуациях. Это устройство нередко прогорает и не выполняет своей Функции. По существовавшим представлениям, прогорание огнепреградителя происходит из-за его прогрева пламенен, стабилизированном на его поверхности.

Проведение исследования ФГГ позволили сделать вывод, что явление прогорания является следствием не прогрева огнепреграждаю' щего элемента стабилизационным пламенем, а перехода горения свободного пространства на стационарный режим низких скоростей со своими собственными характеристиками и в определенном диапазоне начальных параметров (В.С.Бабкин и др.. 1982). С учетом этого необходим новый подход к выбору материала огнепреграждающего элемента, к методам испытаний огнепреградителей и защиты их от прогорания.

Изготовление изделий. В Институте проблем горения Министерст-

ва образования Республики Казахстан (г.Алма-Ата) успешно проведены опытно-промышленные испытания методов получения на принципах ФГГ Фильтров, дренажных и монолитных труб из песчаника. Изделия обладают высокими эксплуатационными характеристиками. Оригинальность технологии и доступность исходного материала позволили на порядок удешевить их стоимость (А.А.Сагиндыков. докторская диссертация, Черноголовка. 1993 г.).

ВЫВОДЫ '

Изучены процессы Фильтрационного горения с гомогенной химической реакцией - Фильтрационное горение газов.

1. Обнаружен и исследован стационарный режим распространения медленных волн горения (режим низких скоростей). Установлены основные характеристики режима - определяющие параметры, скорость и структура волны, устойчивость Фронта, механизм передачи реакции, природа пределов. Дано математическое описание процесса. Показано, что направление движения волны зависит от скорости потока, структура волны представляет собой сложное двухтемпературное образование с температурным пиком в зоне химической реакции и знакопеременными тепловыми потоками на границе Фаз. пределы распространения могут быть связаны с теплопотерями и переходом на режим высоких скоростей.

2. Обнаружен и исследован стационарный режим распространения быстрых волн горения (режим высоких скоростей). Определены характеристики волны (скорость, структура) и пределы распространения. Развита элементарная теория явления. Показано, что горение имеет турбулентный характер и протекает в изобарических условиях. Скорость волны не зависит от природы материала пористой среды, но зависит от коэффициентов молекулярного переноса топлива и окислителя. Механизм распространения включает процессы кондуктивно-• конвективного переноса реакции и теплового гашения пламени в наи-

£>олне быстрых пульсациях.

3. Обнаружен стационарный режим Фильтрационного горения жидкости п инертных пористых средах. Исследованы процесс•Формирования. параметрические зависимости скорости и пределы распространения стационарной волны . Показано, что для структуры волны характерна широкая принципиально неодномерная трехфазовая зона подогрева со сложным тепломассообменом, включающая внутреннюю капиллярную

Фильтрацию, генерируемую горением. Фазовые переходы, циркуляцию тепла и массы. Установлена высокая чувствительность скорости горения к изменениям скорости Фильтрации. Показана возможность существования двух типов спутного движения волны.

4. Реализован в эксперименте стационарный режим Фильтрационного горения при совместном протекании гомогенной и гетерогенной каталитической реакций (гибридная волна). Исследована скорость и структурные характеристики гибридной волны. Показана возможность трансформации гибридной волны в волну с гомогенной реакцией при переходе из каталитически активной пористой среды в инертную, а также возможность трансформации в волну с гомогенной или гетерогенной реакциями в зависимости от скорости Фильтрации. Построена мате.матическая модель процесса, позволяющая анализировать параметрические зависимости скорости и структурные характеристики гибридной волны.

5. Изучены нестационарные процессы горения газа в одно- и многокамерных закрытых системах, моделирующих процессы в одиночных порах и совокупности связанных пор. Выяснены роль процесса дросселирования в передаче химической реакции, возможность воспламенения газа перед Фронтом пламени в ограниченном объеме, эффекта развития аномально высоких давлений. Исследован стационарный режим горения в многокамерной системе, моделирующей режим звуковых скоростей в пористой среде. Установлены механизм Формирования и роль Фильтрационной барической волны. Выявлены особенности нестационарного горения в закрытых системах с инертной пористой средой - генерирование встречного Фильтрационного потока, режим с падением динамического давления. Формирование температурного распределения в продуктах обратного махе-эФФекту.

6. Выполнен цикл работ по определению нормальной скорости пламени различных топлив в широких диапазонах температур, давления и составов горючих смесей. Полученные данные обеспечили необходимой информацией проведение систематических исследований Фильтрационного горения газов.

7. Показаны возможности использования принципов и особенностей Фильтрациоиного горения газов при решении многих задач в энергетике. технологиях, пожаровзрывобезопасности промышленных объектов. в частности, при создании нового типа эффективных горелочных устройств и утилизации низкокалорийных газов, при разработке энергосберегающих технологий, термической обработке материалов и получении изделий, в поисках нетрадиционных методов поааровзрывозащи-

ты. Даны примеры успешной материализации идей Фильтрационного горения газов.

Личное участие автора. Автору принадлежат основные идеи в постановке экспериментальных и теоретических задач, приоритет в решении принципиальных методических вопросов, вклпчая разработку аппаратуры, выбор методов и объектов исследований, ведущая роль в интерпретации полученных результатов. Автор принимал непосредственное участие в планировании и проведении экспериментальных, теоретических и научно-прикладных исследований. Автор благодарен своим коллегам - аспирантам П.К.Сеначину. Р.Х.Абдуллину. Б.Ю.Кошкину. соискателям А.В.Вьюну. С.И.Потытнякову. А.А.Коржавину, В.И.Вабушоку. н.с. В.А.Вуневу. А.А.Плеслову. с.н.с. ВЦ СО РАН -В.И.Дробышевичу и Ю.11.Лаевскому. д.х.н. З.Р.Измагилову и с.н.с. ИК СО РАН Г.Б.Бараннику за сотрудничество.

Содержание диссертации отражено в следующих работах.

1. Бабкин B.C.. Козаченко Л.С.. Механизм преддетонационного распространения пламени в шероховатых трубах. - ДАН СССР. 1960. Т.131. No 3. с.591-592

?.. Бабкин B.c., козаченко Л.С.. Возникновение детонации в газах в шероховатых трубах. - ПИТ®, i960. No 3. с.165-174

3. Бабкин B.c.. Козаченко Л.С., Исследование нормальной скорости

пламени метано-воздушных смесей при высоких давлениях. - ФГВ. 1966. Т. 2. No 3. С.77-86

4. Бабкин B.C.«. кононенко Ю.Г.. Уравнения для определения нормальной скорости пламени в сферической бомбе постоянного объема. - ФГВ. 1967. Т.З. No 2. с.268-275

5. Бабкин B.C.. Вьюн A.B.. Козаченко Л.е.. Определение нормальной скорости пламени по записи давления в бомбе постоянного Объема. - ФГВ. 1967. Т.З. No 3. с.362-370

6. Бабкин B.C.. Кононенко Ю.Г.. Анализ уравнений для определения нормальной скорости пламени методом бомбы постоянного объема. - ФГВ. 1969. т.5. No 1. с.84-93

7. Бабкин B.C., вьюн A.B.. О механизме распространения ламинарного пламени при высоких давлениях. - ФГВ.1971. т.7. No 2. с.241-245

8. Бабкин B.C.. Бабушок В.И.. Суюшев В.А.. Динамика турбулентного сгорания гаяа в замкнутом объеме. - ФГВ. 1977. т.13. No 3.

с.354-358

9. Бабкин B.C.. Бабушок В.И.. Михайлова Л.Г.. Влияние термодинамических и кинетических параметров на динамику сгорания газа в сферическом сосуде. - ФГВ. 1979. т.15. No 6. с.14 70

10

11

12

13

14

15

16

17

18

19

20

21

22

23

24

25

Бабкин B.C.. Бунев В.А. . Коржавин A.A.. Распространение пламени в пористых инертных средах. - В сб. "Химическая Физика процессов горения и взрыва. Горение газов и натуральных топлив", Черноголовка, 1980. с.87-89

Бабкин B.C., Вьюн A.B.. Ингибирование водородновоздушных пламен при высоких давлениях. - <ХТВ. 1981. т. 17. No 5. с.8-13

Боресков Г.К.. Матрос Ю.Ш.. Луговской В.И.. Лахмостов B.C., Криворучко И.Я., Степанов В.Н., Шачнев В.Т., Бабкин B.C. и др. Способ окисления метилового спирта. - A.c. No 793983. 1980

Сеначин П.К.. Бабкин B.C.. Самовоспламенение газа перед Фронтом пламени в закрытом сосуде. - ФГВ. 1982, т.18. No 1.

с .3-8

Бабкин B.C.. Сеначин П. К.. ¡Срахтинова Т. В. . Особенности динамики сгорания газа в закрытых сосудах при разных законах изменения поверхности пламени. - ФГВ. 1982, т.18. No 6. с.14-20

Коржавин A.A., Бунев В.А.. Абдуллин Р.Х., Бабкин B.C.. О зоне пламени при горении газа в инертной пористой среде. - ФГВ. 1982, т.18. No 6. с.20-23

Бабкин B.C.. Потытняков С.и., Лаевский Ю.И.. Дробышевич В.И., Пожаростойкость огнепреградителей. - В сб. "Пожарная профилактика", БНИИПО. М. 1982, с.111-114.

Бабкин B.C.. Дробышевич В.И.. Лаевский Ю.М.. Потытняков С.И.. О механизме распространения волн горения в пористой среде при Фильтрации газа. - ДАН СССР. 1982. Т.265. No 5. С.1157-1161

Бабкин B.C., Дробышевич В.И., Лаевский Ю.М.. Потытняков С.И., Распространения Фронта пламени в неподвижней среде при Фильтрации горючего газа. - В сб."Нестационарные процессы в химических реакторах". Институт катализа СО АН СССР. Новосибирск, 1982, с.18-21.

Бабкин B.C., ДробышеЕИч В.И., Лаевский Ю.М., Потытняков С.И.. Фильтрационное горение газов. - ФГВ, 1983, т.19, No 2, с.17-26

Потытняков С.И.. Лаевский Ю.М.. Бабкин B.C.. Влияние теплопотерь на распространение стационарных волн при Фильтрационном горении газов. - ФГВ. 1984. т.2С, No 1, с.19-26

Лаевский Ю.М.. Бабкин B.C., Дробышевич В.И., Потытняков С.И., К теории Фильтг?ционного горения газов. - ФГВ, 1984. т.20. No 6. с.3-13

Бабкин B.C.. Ььюн A.B.. Коржавин A.A.. Анциферов B.H., Храмцов В.Д., Овчинникова В.И.. Штырхунов И.А., Способ приготовления взрывчатых парогазовых смесей. - A.c. No 1088267. 1982

Бабкин B.C.. Бунев В.А.. Коржавин A.A.. Клименко A.C.. Зубков В.И.. Григорьев В.Ы.. Горение газа в закрытом сосуде с инертной вцсокопористой средой. - ФГВ. 1985. т.21, No 5. с.17-22

Потытняков С.И.. Бабкин B.C., Лаевский Ю.М., Дробышевич В.И.. Исследование тепловой структуры волны Фильтрационного горения газов. - ФГВ, 1985, т.21, No 2. с.19-25

Бабкин B.C., Минаев С.е.. Сеначин П.Ц.. Замащиков В.В.. Поля скоростей и температур при горении вращающегося газа в закрытом сосуде. - ФГВ, 1986. т.22. No 3, с.50-59

26. Бабкин B.C.. Потытняков С.И.. Дробышевич В.И., Лаевский Ю.М.. Структура и свойства пламен с избытком энтальпии. - В сб. "Структура газофазных пламен. Часть II." ИТ1Ш СО АН СССР, Новосибирск. 1984, с.266-278

27. Коржавин А.А.. Бунев В.А.. Бабкин B.C.. Горение газа в сыпучих средах. - III International school of explosibility of industrial dusts. Papers.Turawa 1982, pp.107-116

28. Сеначин П.К.. Ханина Т.М.. Бабкин B.C.. Исследование горения газа в сообщающихся сосудах. - В сб. "Исследование процессов неустойчивого горения". Чувашский университет, Чебоксары. 1984. с.24-30

29. Babkin V.S.. Filtrational combustion of gases. - Proceedings of the 1st Italy - USSR Joint Workshop on Combustion.

Ed. L.De Luca and L.Galfetti,Politecniсо di Milano 1985. pp.6-1 - 6-15

30. Бабкин B.C.. Фильтрационное горение газов. - В газете "Наука в Сибири" No 28 от 24 июля 1986 Г.

31. Babkin V.S.. Abdul 1 in R.N.. Senachin P.К.. Combustion of gases in connected vessels . — 21st Symp. (Intern.) on Combustion. Abstracts. The Combustion Institute. Pittsburgh I486, p.207

32. Бабкин B.C., Лаевский Ю.М.. Фильтрационное горение газов. -ФГВ. 1987. т.23. No 5. С.27-44

33. Абдуллин Р.Х., Бабкин B.C.. Сеначин П.К.. Горение газа в сообщаюихся сосудах. - ФГВ, 1988. т.24. No 2. с.3-12

34. Лаевский Ю.М.. Бабкин B.C.. Фильтрационное горение газов. -В сб. "Распространение тепловых волн в гетерогенных средах". Отв. ред. Ю.Ш.Матрос. Наука - Сиб.отделение. Новосибирск 1988. с.108-145

35. Babkin V.S.. Korzhavin A.A.. Bunev V.A.. Propagation of premixed gaseous explosion flames in porous media. - 22nd Symp.(Intern.) on Combustion. Abstracts. Seattle 1988. p.303

36. Babkin V.S., Potytnyakov S.I., Drobyshevich V.I.. Laevskii Yu.M., Theoretical and experimental studies on excess enthalpy flames. - 9-th Intern. Colloquium on Dynamics of Explosions and Reactive Systems. Abstracts. Poitiers 1983. p.Ill

37. Бабкин B.C.. Баранник Г.Б.. Измагилов З.Р.. Лаевский Ю.М.. Потытняков С.И.. Гибридная тепловая волна при Фильтрационном горении газа. - ДАН СССР. 1989. т.304. No 3. с.630-633

38. Бабкин B.C.. Кошкин Б.Ю.. Лаевский Ю.М.. Горение движущегося жидкого взрывчатого вещества в узких трубках. - ДАН СССР, 1989. Т.304. No 4. С.892-895

39. Babkin V.S.. Potytnyakov S.I..Laevskii Yu.M.. Izmagilov Z.R.. Barannik G.B.. Wave structure of filtrational gas combustion with homogeneous-heterogeneous reactions.- Ill Intern.Seminar on Flame Structure. Abstracts, Novosibirsk 1989. No 11.2

40. Koshkin B.Yu.. Bunev V.A., Babkin V.S.. Laevskii Yu.M., Filtrational combustion of liquid on inert.porous media. -III Intern.Seminar on Flame Structure . Abstracts. Novosibirsk 1989. No 11.6.

41. Babkin V.S., Potytnyakov S.I.. Laevskii Yu.M.. Izmagilov Z.R. , Barannik G.B.. Filtration burning waves with combined homogeneous-heterogeneous reactions. - 12ts Intern.Colloquium on Dynamics of Explosions and Reactive Systems. Abstracts. Michigan. 1989. p.84

42. Бабкин B.C.. Кошкин Б.Ю.. Лаевский Ю.М., Горение движущегося жидкого взрывчатого вещества в узких трубках. - В сб. "Химическая Физика процессов горения и взрыва. Горение конденсированных систем". Черноголовка, 1989, с.6-8

43. Бабкин B.C.. Бухаров В.Н.. Ыольков В.В., Нормальная скорость пламени пропано-воздушных смесей при высоких давлениях и температурах. - ФГВ. 1989, т.25, No 1, с.57-64

44. Корольченко А.Я.. Афанасьева Л.е.. Бабкин B.C. и др. ГОСТ 12.1.044-89 Пожароопасность веществ и материалоп. Номенклатура показателей и методы их определения. - Издательство стандартов. М. 1990. 146 с.

45. Babkin V.S., Koshkin B.Yu.. Laevskii Yu.M.. Filtrational combustion of hydrazine in inert porous media .- 23rd Symp.(Intern.) on Combustion. Abstracts, Orlean 1990, p.433

46. Кошкин Б.Ю.. Бунев В.А.. Бабкин B.C..Лаевский Ю.М.. Фильтрационное горение жидкости. - ДАН СССР .1990, т.310. No 6. с.1395-1398

47. Korzhavin A.A.. Babkin V.S., Bunev V.A.. The mechanism of propagation and quenching of gaseous flames in porous media.-Joint Meeting of the Soviet and Italian Sections of the Combustion Institute. Tacchi Editore. Pisa. Italy 1990, No 7.7

48. Babkin V.S.. Abdullin R.H., Borisenko A.V., Dynamics of flame propogation in multichamber systems .- 13th Intern.Colloquim on Dynamics of Explosions and Reactive Systems. Abstracts. Nagoya 1991. p.75

49. Babkin V.S.. Koshkin B.Yu.. Bunev V.A., Laevskii Yu.M.. Filtrational combustion of liquid in inert porous media. - Flame structure.Vol.2. Ed. prof. O.P.Korobeinichev. NAUKA. Siberian Branch, Novosibirsk 1991. pp.542-546

50. Babkin V.S.. Korzhavin A.A., Bunev V.A.. Propagation of premixed explosion flames in porous media. - Combustion and Flame 1991, Vol.87. No 2. pp. 182-190

51. Babushok V.. Goldshtein V.. Romanov A.. Babkin V.. Critical conditions of thermal explosion in dustiness systems .-Proc.of the 4th Intern.Col 1oquium on Dust Explosions. Warsaw 1991. pp.31-47

52. Бабушок В.И.. Гольдштейн В.М.. Романов А.С.. Бабкин B.C. Тепловое воспламенение в инертной пористой среде. - ФГВ 195^ Т.20. No 4. с.3-10

53. Babkin V.S.. Filtrational gas combustion: present state and prospects .- Proc. of EUROMECH 294: Theoretical Mechanics of Combustion. University of Bristol 1992. p.21

54. Babkin V.S.. Filtrational combustion of gases. Present state of affairs and prosrects.- Pure and Applied Chemistry 1993. Vol.65. No 2. pp.335-344 v-V , '-„* •

/¿X-C-